Понять, что такое драйвер, попробуем на типовом примере взаимодействия прикладной программы с драйвером.

Код прикладной программы исполняется в пользовательском режиме работы процессора. В этом случае имеется ряд серьезных ограничений на доступ к памяти, аппаратному обеспечению и привилегированным инструкциям процессора. Когда возникает необходимость в преодолении этих ограничений, прикладная программа обращается к ядру ОС, код которого исполняется процессором в режиме ядра. Режим ядра лишен всех упомянутых ограничений. Для расширения функциональных возможностей ядра как раз и служат драйверы ядра (kernel mode drivers). Как они работают?

В отличие от прикладной программы, драйвер не является процессом, и не обладает потоком исполнения. Вместо этого любая функция драйвера выполняется в контексте того потока и процесса, в котором она была вызвана. При этом вызов может проистекать от прикладной программы, от драйвера, либо в результате прерывания. В первом случае контекст исполнения драйвера точно известен – это прикладная программа. В третьем случае контекст исполнения случайный, поскольку прерывание (и, соответственно, исполнение кода драйвера) может произойти при выполнении любой прикладной программы. Во втором случае контекст исполнения может быть как известным, так и случайным, это зависит от контекста исполнения функции вызывающего драйвера.

Под вызовом драйвера здесь подразумевается не обычный вызов функции, а передача так называемого запроса в/в. Более подробно см. лекцию 6.

Различают несколько классов драйверов:

Драйвер, получающий запросы в/в из прикладной программы, называют драйвером высшего уровня. Если такой драйвер не пользуется услугами других драйверов, он называется монолитным.

Драйвер, получающий запросы в/в от другого драйвера, называют промежуточным, если он пользуется услугами других драйверов, или драйвером низшего уровня, если услугами других драйверов он не пользуется.

Типы драйверов и характеристики

[Дополнительная информация] Ifs kit Help\Kernel-Mode Drivers\Design Guide\Part1 General Kernel Mode\Windows 2000 and WDM drivers\Kinds of driversили в DDK.

В NTсуществует 2 типа драйверов: драйверы пользовательского режима и драйверы режима ядра. В дальнейшем, говоря «драйвер», мы будем подразумевать драйверы режима ядра. Такие драйверы являются частью исполнительной системы, а более точно – элементами диспетчера в/в (архитектура NT и ее компоненты будут обсуждаться в лекции 2). Как следует из названия, при работе драйвера режима ядра процессор находится в режиме ядра (RING 0) – см. любой справочник по защищенному режиму работы процессора.

Драйвер NT располагается в файле с расширением.sys и имеет стандартный PE-формат (PE - Portable Executable).

Драйверы реализованы как самостоятельные модули с четко определенным интерфейсом взаимодействия с ОС. Все драйверы имеют определенный системой набор стандартных функций драйвера (standard driver routines) и некоторое число внутренних функций, определенных разработчиком.

Все драйверы режима ядра можно разбить на 3 типа:

Драйверы высшего уровня (highest level drivers)

Драйверы промежуточного уровня (intermediate drivers)

Драйверы низшего уровня (lowest level drivers)

Как мы увидим в дальнейшем, такое разбиение обусловлено многоуровневой моделью драйверов (layered driver model). Для сохранения общности изложения, монолитный драйвер можно включить в эту схему, хотя он не использует многоуровневую архитектуру. В этом случае он будет «гибридом» – драйвером, принадлежащим одновременно к нескольким типам. Например, монолитный драйвер, имеющий интерфейс с приложением и осуществляющий доступ к оборудованию, будет одновременно и драйвером высшего, и драйвером низшего уровня.

Кроме того, в зависимости от назначения драйвера, он может являться каким либо специализированным драйвером, т.е. удовлетворять дополнительному набору требований к своей структуре. Можно привести следующие типы специализированных драйверов:

Драйверы файловой системы

Сетевые драйверы

Отдельно необходимо упомянуть архитектуру WDM – Windows Driver Model. Эта архитектура позволяет создавать драйверы для Windows 98и Windows 2000, совместимые на уровне двоичного кода.

Можно привести следующие характеристики драйверов:

Поддержка динамической загрузки и выгрузки (однако могут быть исключения)

Необходимость следовать определенным протоколам взаимодействия с системой, нарушение которых чаще всего ведет к BSOD

Возможность «наслоения» драйверов поверх друг друга. В Win2K эта возможность возведена в абсолют, хотя монолитные драйверы все еще поддерживаются

Поскольку драйверы являются частью ядра ОС, они могут сделать с системой абсолютно все. Основная проблема – закрытость архитектуры ОС.

Драйверы режима ядра: Часть 1: Основные понятия — Архив WASM.RU

Обзор архитектуры

Внутренний мир Windows 2000 разделен на две части с четко обозначенными границами, как в плане адресного пространства, так и в плане прав и обязанностей кода в этом адресном пространстве выполняющегося.

С разделением адресного пространства все на удивление просто. Все четыре, доступного в 32-х разрядной архитектуре, гигабайта разделены на две равные части (4GT RAM Tuning и Physical Address Extension я опускаю как зкзотические). Нижняя половина отдана процессам пользовательского режима, верхняя принадлежит ядру.

С разделением прав и обязанностей немного сложнее.

К пользовательским относятся следующие процессы:

• Процессы поддержки системы (System Support Processes) - например, процесс входа в систему Winlogon (реализован в \%SystemRoot%\System32\Winlogon.exe);
• Процессы сервисов (Service Processes) - например, спулер печати;
• Пользовательские приложения (User Applications) - бывают пяти типов: Win32, Windows 3.1, MS-DOS, POSIX и OS/2;
• Подсистемы окружения (Environment Subsystems) - поддерживается три подсистемы окружения: Win32 (реализована в \%SystemRoot%\System32\Csrss.exe), POSIX (реализована в \%SystemRoot%\System32\Psxss.exe), OS/2 (реализована в \%SystemRoot%\System32\os2ss.exe).

Ядро состоит из следующих компонентов:

Исполнительная система (Executive) - управление памятью, процессами и потоками и др.;
• Ядро (Kernel) - планирование потоков, диспетчеризация прерываний и исключений и др. (реализовано в \%SystemRoot%\System32\Ntoskrnl.exe);
• Драйверы устройств (Device Drivers) - драйверы аппаратных устройств, сетевые драйверы, драйверы файловых систем;
• Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstraction Layer, HAL) - изолирует три вышеперечисленных компонента от различий между аппаратными архитектурами (реализован в \%SystemRoot%\System32\Hal.dll);
• Подсистема поддержки окон и графики (Windowing And Graphics System) - функции графического пользовательского интерфейса (Graphic User Interface, GUI) (реализована в \%SystemRoot%\System32\Win32k.sys).

Рис. 1-1. Упрощенная схема архитектуры Windows 2000

Режим пользователя и режим ядра

Хотя процессоры семейства Intel x86 поддерживают четыре уровня привилегий (называемых кольцами защиты), в Windows используются только два: 0-ой для режима ядра и 3-ий для режима пользователя. Это связано с поддержкой других процессоров (alpha, mips), в которых реализовано только два уровня привилегий. Предыдущие выпуски Windows NT поддерживали эти архитектуры, но в Windows 2000 осталась поддержка только x86.

Компоненты пользовательского режима имеют свои защищенные адресные пространства, потоки этих процессов выполняются в непривилегированном режиме процессора (называемом пользовательским), не могут выполнять привилегированные команды процессора, имеют ограниченный и опосредованный доступ к системным данным, и к системному адресному пространству, не имеют прямого доступа к оборудованию. Правда, в процессе своей работы, потоки этих процессов, вызывая системные сервисы, переходят в режим ядра, но в этом случае полностью теряют контроль над своим выполнением до возвращения обратно в режим пользователя.

Процессы пользовательского режима рассматриваются как потенциально опасные с точки зрения стабильности системы. Их права ограничиваются. И всяческие попытки выйти за пределы этих ограничений жестко пресекаются.

Компоненты ядра разделяют единое адресное пространство, выполняются в привилегированном режиме процессора (называемом режимом ядра), могут выполнять все, в том числе и привилегированные, команды процессора, имеют неограниченный и прямой доступ к системным данным и коду, имеют прямой, или через HAL, доступ к оборудованию.

Код ядра (собственно это и есть сама система) рассматривается как полностью доверительный. Поэтому, будучи загруженным в системное адресное пространство, драйвер становится частью системы и на него не накладываются какие-либо ограничения.

Таким образом пользовательские приложения отделены от собственно операционной системы. Если вы зададитесь целью написать сколь-нибудь серьезное приложение, для работы которого необходим доступ к внутренним функциям или структурам данных системы, то столкнетесь со множеством ограничений, преодолеть которые можно только разместив свой код в системном адресном пространстве. Из документированных существует только один способ это сделать - установить драйвер устройства. Способ этот относительно прост, надежен, а главное, полностью обеспечен поддержкой со стороны самой операционной системы.

Драйверы Windows 2000

Windows 2000 поддерживает множество типов драйверов устройств.

Существует два базовых, которые имеют своих представителей:

• Драйверы пользовательского режима (User-Mode Drivers):
  • Драйверы виртуальных устройств (Virtual Device Drivers, VDD) - используются для поддержки программ MS-DOS (не путать с VxD драйверами в Windows 95/98 - это совсем разные вещи, хотя и имеют одно название);
  • Драйверы принтеров (Printer Drivers).
• Драйверы режима ядра (Kernel-Mode Drivers):
  • Драйверы файловой системы (File System Drivers) - реализуют ввод-вывод на локальные и сетевые диски;
  • Унаследованные драйверы (Legacy Drivers) - написаны для предыдущих версий Windows NT;
  • Драйверы видеоадаптеров (Video Drivers) - реализуют графические операции;
  • Драйверы потоковых устройств (Streaming Drivers) - реализуют ввод-вывод видео и звука;
  • WDM-драйверы (Windows Driver Model, WDM) - поддерживают технологию Plag and Play и управления электропитанием. Их отличительной особенностью является совместимость на уровне исходного кода между Windows 98, Windows ME и Windows 2000.

В разных источниках вы можете встретить классификацию немного отличную от приведенной выше, это не суть важно. Важно то, что драйверы, которые мы будем писать, не подпадают ни под один из пунктов этой классификации. Это ни драйверы файловой системы, ни унаследованные драйверы, ни драйверы видеоадаптеров или звуковых карт, ни WDM-драйверы, т.к. не поддерживают Plag"n"Play и управление электропитанием. Это не драйверы пользовательского режима (это вообще не интересно). На самом деле это просто черт знает что такое, т.к. система сама позволяет легко и просто добавить в саму себя код непонятно для какого устройства, и делать с ней все что угодно! Это как если бы к вам ночью в дверь постучался совершенно незнакомый человек, и вы ни слова не говоря впустили бы его на ночлег, да еще уложили бы в свою постель! Однако, это не является каким-то багом или дырой в системе безопастности. Просто система работает так, как она работает. Иначе и быть не может, т.к. взаимодействуя с окружением, система вынуждена предоставлять к себе доступ. И если бы это было не так, то это была бы полностью закрытая, а значит, бесполезная система.

Как следует из самого названия, драйвер устройства это программа предназначенная для управления каким-то устройством, причем устройство это не обязательно должно быть физическим. Оно может быть логическим или, как в нашем случае, виртуальным.

По своей структуре драйвер устройства является ни чем иным как файлом PE-формата (Portable Executable, PE). Таким же как обычные exe и dll. Только загружается и работает по другим правилам. Драйверы можно рассматривать как DLL режима ядра, предназначенные для выполнения задач не решаемых из пользовательского режима. Принципиальная разница здесь (не считая уровня привилегий) в том, что мы не сможем напрямую обращаться к драйверу, ни к его коду, ни к его данным, а будем пользоваться специальным механизмом предоставляемым диспетчером ввода-вывода (Input/Output Manager). Диспетчер ввода-вывода обеспечивает среду для функционирования драйверов, а также предоставляет механизмы для их загрузки, выгрузки и управления ими.

Приступая к разработке драйверов режима ядра, вы почувствуете себя совершенным новичком, т.к. весь предыдущий опыт использования API тут не поможет - ядро предоставляет совершенно другой набор функций. Также придется пользоваться плохо документированными (определенными только в заголовочных файлах) или вовсе недокументированными функциями и структурами данных.

Одно- и многоуровневые драйверы

Большинство драйверов управляющих физическими устройствами являются многоуровневыми (layered drivers). Обработка запроса ввода-вывода разделяется между несколькими драйверами. Каждый выполняет свою часть работы. Например, запрос на чтение файла передается драйверу файловой системы, котрый, выполнив некоторые операции (например, разбиение запроса на несколько частей), передает его "ниже" - драйверу диска, а тот, в свою очередь, отправляет запрос драйверу шины. Кроме того между этими драйверами можно добавить любое количество драйверов-фильтров (например, шифрующих данные). Выполнив запрос нижестоящий драйвер (lower-level driver) передает его результаты "наверх" - вышестоящему (higher-level driver). Но, к счастью, у нас все будет значительно проще. Наши драйверы всегда будут одноуровневыми (monolithic drivers), что сильно упростит весь процесс их написания и отладки.

Контекст потока

Поскольку, в большинстве случаев, мы имеем всего один процессор, а приложений, которые нужно выполнять много, то естественно, что для создания иллюзии одновременного их выполнения надо последовательно подключать эти приложения к процессору, причем очень быстро. Эта процедура называется переключением контекста потока (thread context switching). Если система переключает контекст потоков принадлежащих одному процессу, то необходимо сохранить значение регистров процессора отключаемого потока, и загрузить, предварительно сохраненные значения регистров процессора подключаемого потока. И обновить кое-какие структуры данных. Если же подключаемый поток принадлежит другому процессу, то необходимо еще в регистр CR3 процессора загрузить указатель на каталог страниц (page directory) процесса. Так как каждому пользовательскому процессу предоставлено закрытое адресное пространство, то у разных процессов разные проекции адресных пространств, а значит, и разные каталоги страниц и наборы таблиц страниц по которым процессор транслирует виртуальные адреса в физические. Все это не имеет прямого отношения к программированию драйверов. Но я напоминаю об этом в связи вот с чем. Так как переключение контекста операция не самая быстрая, то драйверы, по соображениям лучшей производительности, как правило, не создают своих потоков. Но код драйвера все же нужно выполнять. Поэтому, для экономии времени на переключение контекстов, драйверы выполняются в режиме ядра в одном из трех контекстов:

• в контексте пользовательского потока инициировавшего запрос ввода-вывода;
• в контексте системного потока режима ядра (эти потоки принадлежат процессу System);
• как результат прерывания (а значит, не в контексте какого-либо процесса или потока, который был текущим на момент прерывания).

Не совсем понимаю как можно выполнить что-то "не в контексте какого-либо процесса или потока", но учитывая авторитет людей это написавших (Д. Соломон и М. Руссинович), а также то, что нам это не понадобится, т.к. мы не будем обрабатывать ни программные, ни тем более, аппаратные прерывания, про третий случай можно сразу забыть. Остаются первые два варианта. Если инициируется запрос ввода-вывода, то мы в контексте потока этот запрос инициировавшего, и значит, можем напрямую обращаться к адресному пространству процесса которому этот поток принадлежит. Если мы в контексте системного потока, то ни к какому пользовательскому процессу обращаться напрямую не можем, а к системному мы и так всегда можем обратиться. Если нужно из драйвера посмотреть, что там у какого-нибудь процесса лежит по такому-то адресу, то придется либо самим переключать контекст, либо по таблицам страниц транслировать адреса.

Уровни запросов прерываний

Прерывание - неотъемлемая часть любой операционной системы. Прерывание требует обработки, поэтому выполнение текущего кода прекращается и управление передается обработчику прерывания. Существуют как аппаратные, так и программные прерывания. Прерывания обслуживаются в соответствии с их приоритетом. Windows 2000 использует схему приоритетов прерываний, известную под названием уровни запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL). Всего существует 32 уровня, с 0 (passive), имеющего самый низкий приоритет, по 31 (high), имеющего соответственно самый высокий. Причем, прерывания с IRQL=0 (passive) по IRQL=2 (DPC\dispatch) являются программными, а прерывания с IRQL=3 (device 1) по IRQL=31 (high) являются аппаратными. Не путайте уровни приоритета прерываний с уровнями приоритетов потоков - это совсем разные вещи. Прерывание с уровнем IRQL=0, строго говоря, прерыванием не является, т.к. оно не может прервать работу никакого кода (ведь для этого этот код должен выполняться на еще более низком уровне прерывания, а такого уровня нет). На этом IRQL выполняются потоки пользовательского режима. И код наших драйверов тоже будет выполняться на этом IRQL. Это отнюдь не означает, что код любого драйвера всегда выполняется на уровне "passive". Просто мы не будем обрабатывать ни программные, ни тем более аппаратные прерывания. А отсюда следуют, по крайней мере, два очень важных вывода.

Первый: работа наших драйверов может быть в любой момент прервана, для обработки прерывания с более высоким приоритетом (например, от таймера, когда планировщик посчитает, что наш поток и так уже достаточно долго имеет процессор, и пора ему отдохнуть). Поэтому, в этом смысле, код наших драйверов является прерываемым и вытесняемым (процессор отдается другому потоку), точно также как и код любого пользовательского потока. Существуют функции ядра позволяющие узнать текущий уровень прерывания, а также повысить или понизить его.

Второй важный момент: на уровне прерывания passive можно вызывать любые функции ядра (в DDK в описании каждой функции обязательно указано, на каком уровне прерывания ее можно вызывать), а также обращаться к страницам памяти сброшенным в файл подкачки. На более высоких уровнях прерывания (DPC/dispath и выше), попытка обращения к странице отсутствующей в физической памяти приводит к краху системы, т.к. диспетчер памяти (Memory Manager) не может обработать ошибку страницы.

"Голубой экран смерти"

Думаю каждый, хотя бы один раз, видел волнующую картину под названием "голубой экран смерти" (Blue Screen Of Death, BSOD). Наверное, нет необходимости объяснять, что это такое и почему возникает. Важно здесь то, что взявшись за разработку драйверов режима ядра, приготовьтесь к тому, что BSOD дастаточно часто будет появляться на экране вашего монитора.

В третьем кольце все было просто: набросал примерный код, расставил int3 где надо, запустил и... в отладчике уже разбираешься что к чему. Если что-то не так - прибил, исправил ошибки, перекомпилировал... и так далее, до тех пор пока код не заработает как надо. При программировании драйверов об этой технике можно забыть. Тут "сапер" ошибается один раз. Одно неверное движение... и можно откинуться на спинку кресла и минутку расслабиться.

Для того чтобы видеть BSOD как можно реже следует придерживаться одного очень простого правила: "Семь раз отмерь - один отрежь"... в смысле "Семь раз проверь - один запусти". Это конечно просто сказать, но значительно труднее сделать. Но как правило, учитывая то, что структура драйверов, которые вы будете писать (после прочтения этих статей), относительно проста, можно разобраться с ошибками и до появления BSOD. Если же он упорно появляется перед вашими глазами, и вы никак не можете понять причину, возможным способом прояснить ситуацию является анализ аварийного дампа (crash dump). О том, что это такое, как его сделать и анализировать можно почитать в статье Марка Руссиновича "Анализ аварийных дампов памяти" http://www.osp.ru/win2000/2001/03/025.htm. Дело это (анализ) очень непростое, но думаю, что до этого не дойдет.

Теоретик из меня хреновый, так что все вышесказанное вы можете рассматривать как очень базовые сведения о тех принципах, которые совершенно необходимо понимать. Нельзя приступать к разработке драйверов режима ядра не имея понятия о том, что такое контекст потока, уровни прерываний и приоритеты потоков, режим ядра/пользователя и т.д. и т.п. Чувствуете себе неуверенно в каком-то вопросе - список литературы внизу.

Теперь осветим кое-какие более практические вещи (совсем практическими они станут в следующих статьях), а именно, что нам понадобится, чтобы всю эту теорию превратить в практику.

Driver Development Kit

Первое это конечно Комплект разработки драйверов устройств (Windows 2000 Driver Development Kit, 2KDDK), который можно свободно скачать с сайта Microsoft (во всяком случе я сливал его совершенно безвозмездно отсюда: http://www.microsoft.com/ddk/). В этот пакет входит документация, которая является богатым источником информации о внутренних структурах данных и внутрисистемных функциях используемых драйверами устройств.

Помимо документации в DDK входит набор библиотечных файлов (*.lib), которые будут совершенно необходимы при компоновке. В DDK входит два комплекта этих файлов: для окончательной версии Windows (называемой свободным выпуском (free build)); и для отладочной (называемой проверочным выпуском (checked build)). Находятся эти файлы в каталогах %ddk%\libfre\i386 и %ddk%\libchk\i386 соответственно. Отладочная версия отличается более строгой проверкой ошибок. Использовать нужно файлы соответствующие вашей версии системы поместив их в каталог \masm32\lib\w2k.

Включаемые файлы

Также нам понадобятся включаемые (*.inc) файлы с определениями прототипов функций. Их нам (точнее мне ) тоже придется делать самим. Я перепробовал много разных утилит, конвертирующих *.lib -> *.inc, как входящих в пакет masm32 by hutch, так и слитых мной в разное время с бескрайних просторов Internet. Из всех что имеются у меня в наличии, только protoize.exe by f0dder справилась со своей задачей, и мне практически ничего не пришлось править руками. Эта замечательная тулза будет лежать в каталоге \tools\protoize. Сайт автора: http://f0dder.didjitalyphrozen.com/. Только вы ее там не найдете. f0dder несколько раз постил эту утилиту в конференции http://board.win32asmcommunity.net/. Инклуды будут лежать в каталоге \include\w2k. Их следует поместить в каталог \masm32\include\w2k. Для конвертации использовались *.lib для свободного выпуска Windows 2000, т. к. у меня стоит именно этот вариант (и у вас, наверняка, тоже).

Следующая проблема более серьезна. Это практически полное отсутствие включаемых файлов с определениями необходимых структур, символьных констант и макросов. Найти что-либо путное в сети вы вряд ли сможете - уж слишком экзотическое это занятие - писать драйверы режима ядра на ассемблере. Кое-что можно найти у EliCZ http://www.anticracking.sk/EliCZ/. Кое-что у Y0da http://mitglied.lycos.de/yoda2k/index.htm (частично сделаное им самим, частично взятое у того же EliCZ). Но сделано это из рук вон плохо, (при всем моем глубоком уважении к нашим словакскому и немецкому коллегам): имена членов многих структур отличаются от определенных в оригинальных заголовочных файлах из DDK; вложенные структуры и обьединения не имеют имен; хотя в оригинале они именованы. И вообще, все находится в некотором беспорядке, и при просмотре вызывает удручающее впечатление. Неплохо сделан только ntstatus.inc. Частично это объясняется тем, что EliCZ начал создавать свои инклуды еще в отсутствие у него DDK (как он сам говорит). В любом случае, я не советую вам их использовать, по крайней мере без тщательной проверки. Кое-что, в свое время, мелькало в конференции http://board.win32asmcommunity.net/, но качество тоже не особо впечатляет. Короче, единственно правильное решение в данной ситуации - делать все самим, причем вручную, т. к. какие-либо тулзы, позволяющие автоматизировать этот процесс, мне не известны. Если вы, вдруг, наткнетесь на что-то стоящее, не сочтите за труд - дайте мне знать.

Отладка драйверов

Также нам потребуется отладчик, причем, поскольку отлаживать придется код режима ядра, то и отладчик нужен соответствующий. Самым лучшим выбором будет SoftICE. Или можно воспользоваться Kernel Debugger входящим в состав DDK. Этот отладчик требует двух компьютеров - ведущего и ведомого, что не каждый может себе позволить. Марк Руссинович (Mark Russinovich, http://www.sysinternals.com/) написал утилиту LiveKd, которая позволяет использовать Kernel Debugger без подключения второго компьютера. Не знаю есть ли она на сайте (не проверял), но на диске к книжке "Внутреннее устройство Microsoft Windows 2000" имеется. Также этот отладчик чрезвычайно полезен для исследования внутреннего устройства системы, при условии что у вас установлены отладочные символы, которые можно (или было можно) свободно скачать с сайта Microsoft.

Дэвид Соломон, Марк Руссинович, "Внутреннее устройство Microsoft Windows 2000", изд. "Питер", 2001.

Хотя в этой книге нет ни одной строчки исходного кода, она прежде всего для программистов.

Свен Шрайбер, "Недокументированные возможности Windows 2000", изд. "Питер", 2002.

Сугубо практическая книга, в которой раскрыто множество тайн Windows 2000.

Walter Oney, "Programming the Microsoft Driver Model", Microsoft Press, 1999

В этой книге упор сделан на Plag"n"Play драйверы, но это нисколько не умоляет ее достоинств, т.к. базовые принципы разработки драйверов универсальны.

Джеффри Рихтер, "Windows для профессионалов: создание эффективных Win32-приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows", изд. "Питер", 2000.

Эта книжка не имеет никакого непосредственного отношения к программированию драйверов, но тоже очень интересная;-)

Этот список ни в коем случае не претендует на полноту. Многое, особенно по английски, можно найти в Internet (кроме Шрайбера, все книги есть в электронном варианте). В отношении книг хочу сказать еще, что все они из разряда "must have". Увидите - покупайте не глядя. Все, кроме Walter"а Oney, переведены на наш "великий и могучий".

И последнее. Я не являюсь большим специалистом в области разработки драйверов, так что ошибки или неточности, как в этой, так и во всех последующих статьях, весьма вероятны. Найдете - смело тыкайте носом. Скажу спасибо.

Драйвер - системная программа, предназначенная для управления каким-либо физическим или виртуальным устройством компьютера.

Фактически, пользовательские программы либо системные утилиты не могут напрямую обращаться к аппаратуре, используя порты ввода-вывода, DMA либо подобные низкоуровневые механизмы напрямую. Все программы пользователя и часть ОС работают в 3-м кольце защиты компьютера (наименее привилегированном). При этом любая команда обращения к порту из данной программы может быть замаскирована и повлечет за собой аппаратное исключение (Exception). Напрямую к аппаратуре может обратится программа, работающая в самом приоритетном, 0-м кольце защиты.

В настоящее время практически все устройства используют технологию автоматического распределения ресурсов - Plug and Play (PnP). Когда новое устройство будет добавлено в систему, ему будут выделены свободные ресурсы - незадействованные линии запросов на прерывание (IRQ ), свободные адреса портов ввода-вывода. Поэтому драйвер изначально "не знает", какие именно адреса портов и IRQ ему будут выделены - эти данные будут различными для разных компьютеров. При этом задача распределения ресурсов ложится на ОС.

Система ввода-вывода в Windows

Окружение Win 2000 включает компоненты, которые работают в режиме пользователя (User mode ) и в режиме ядра (Kernel mode ). В режиме пользователя работают подсистема защиты, подсистема Win 32-архитектуры (обеспечивает стандартные API - вызовы Windows), подсистема POSIX (обеспечение кроссплатформенности). В режиме ядра работают все основные компоненты системы: диспетчер ввода-вывода (I / O manager), диспетчер конфигурации (Configuration Manager), подсистема PnP , диспетчер управления энергопотреблением (Power Manager), диспетчер памяти (Memory Manager) и прочие жизненно необходимые службы. Драйвера в Win 2000 включены в подсистему ввода-вывода. При этом драйвера тесно взаимодействуют практически со всеми компонентами ядра. Драйвера взаимодействуют с аппаратурой при помощи HAL (уровень абстракции аппаратуры). HAL - программный компонент ядра Win 2000, который обеспечивает интерфейс ядра (в том числе и некоторых драйверов) с аппаратурой. Т.к. Win 2000 - платформенно независимая система, то HAL избавляет ядро от непосредственного общения с кэшем, прерываниями, шинами ввода-вывода и большинством прочих устройств, оставляя эту работу драйверам, специально написанным для данной системы. Таким образом, ядро системы представляется набором отдельных изолированных модулей с четко определенными внешними интерфейсами.

Все драйвера NT имеют множество стандартных методов драйвера, определенных системой, и, возможно, несколько специфических методов, определенных разработчиком. Драйвера Windows 2000 используют архитектуру WDM (Windows Driver Model). В Windows 2000 драйвера бывают следующих типов:

• Kernel mode drivers (драйверы режима ядра). Основной тип драйвера. Такие драйвера используются для решения общих задач: управление памятью, шинами, прерываниями, файловыми системами, устройствами хранения данных и т.п.
• Graphics drivers (драйверы видеокарт). Как правило, создаются одновременно с самой видеокартой. Очень сложны в написании, так как должны учитывать множество противоречивых требований и поддерживать множество стандартов. Скорее всего, вам не потребуется создавать ничего подобного.
• Multimedia drivers (мультимедиа-драйверы). Драйверы для: Аудиоустройств - считывание, воспроизведение и компресс ия ау диоданных. Устройств работы с видео - захват и компрессия видеоданных. Позиционных устройств - джойстики, световые перья, планшеты и пр.
• Network drivers (сетевые драйвера) - работа с сетью и сетевыми протоколами на всех уровнях.
• Virtual DOS Drivers - драйверы для виртуальных машин MS - DOS . Постепенно переходят в раздел рудиментарных.

В свою очередь, существует три типа драйверов ядра, каждый тип имеет четко определенные структуру и функциональность.

• Device drivers (драйвера устройств), такие как драйвер клавиатуры или дисковый драйвер, напрямую общающийся с дисковым контроллером. Эти драйвера называются драйверами низкого уровня, т. к. они находятся в самом низу цепочки драйверов Windows NT .
• Intermediate drivers (промежуточные драйвера), такие как драйвер виртуального диска. Они используют драйверы устрой ств дл я обращения к аппаратуре.
• File system drivers (FSDs). Драйверы файловых систем, таких как FAT, NTFS, CDFS, для доступа к аппаратуре используют Intermediate drivers и Device drivers.

Драйвера Windows 2000 должны удовлетворять следующим требованиям:

• Переносимы с одной платформы на другую.
• Конфигурируемые программно.
• Всегда прерываемые.
• Поддерживающие мультипроцессорные платформы.
• Объектно-ориентированные.
• Поддерживать пакетный ввод-вывод с использванием I / O request packets (IRPs , запросы ввода-вывода).
• Поддерживать асинхронный ввод-вывод.

Система ввода-вывода Windows 2000 имеет следующие особенности:

Менеджер ввода-вывода NT представляет интерфейс для всех kernel - mode драйверов, включая драйвера физических устройств, драйвера логических устройств и драйвера файловых систем.

Операции ввода-вывода послойные. Это значит, что вызов, сделанный пользователем, проходит через несколько драйверов, генерируя несколько пакетов запросов на ввод-вывод и "по пути" обращаясь к необходимым драйверам. К примеру, когда приложение пытается открыть файл, подсистема ввода-вывода Windows делает запрос к драйверу файловой системы; драйвер файловой системы обращается к промежуточному драйверу; и лишь промежуточный драйвер обращается непосредственно к винчестеру. Такая архитектура построения системы существенно повышает ее гибкость и снижает общую стоимость разработки.

Системная служба Windows NT - это фоновый процесс, который может запускаться и работать без участия интерактивного пользователя. В этом смысле системные службы похожи на демоны Unix и резидентные программы MS-DOS. Как правило, системные службы стартуют при загрузке системы и продолжают работать, пока система не будет остановлена, хотя возможны запуск и остановка служб уже в процессе работы.

Основное отличие драйвера от службы заключается в том, что драйвер может работать в 0 кольце и в пользовательском режиме, а служба работает только в пользовательском режиме. Установка службы осуществляется через SCM менеджер, а драйвер через. inf файл, однако драйвер может быть установлен через SCM менеджер, но не все типы драйверов могут установлены через SCM менеджер.

Второй вариант ответа на вопрос

Драйвер устройства является файлом PE-формата, таким же как обычные exe и dll . Только загружается и работает по другим правилам. Драйверы можно рассматривать как DLL режима ядра, предназначенные для выполнения задач не решаемых из пользовательского режима. Принципиальная разница здесь (не считая уровня привилегий) в том, что мы не сможем напрямую обращаться к драйверу, ни к его коду, ни к его данным, а будем пользоваться специальным механизмом предоставляемым диспетчером ввода-вывода (Input / Output Manager). Диспетчер ввода-вывода обеспечивает среду для функционирования драйверов, а также предоставляет механизмы для их загрузки, выгрузки и управления ими.

Многоуровневые драйверы

Большинство драйверов управляющих физическими устройствами являются многоуровневыми (layered drivers). Обработка запроса ввода-вывода разделяется между несколькими драйверами. Каждый выполняет свою часть работы. Например, запрос на чтение файла передается драйверу файловой системы, который, выполнив некоторые операции (например, разбиение запроса на несколько частей), передает его "ниже" - драйверу диска, а тот, в свою очередь, отправляет запрос драйверу шины. Кроме того между этими драйверами можно добавить любое количество драйверов-фильтров (например, шифрующих данные). Выполнив запрос нижестоящий драйвер (lower-level driver) передает его результаты "наверх" - вышестоящему (higher-level driver).

Driver Development Kit

Первое, что необходимо для разработки драйвера - это Комплект разработки драйверов устройств (Windows 2000 Driver Development Kit , 2KDDK ). В этот пакет входит документация, которая содержит информацию о внутренних структурах данных и внутрисистемных функциях используемых драйверами устройств. Помимо документации в DDK входит набор библиотечных файлов (*. lib), которые необходимы при компоновке.

Отладка драйверов

Отладчики драйвера – отладчики, которые позволяют отлаживать код режима ядра. Самым лучшим выбором будет SoftICE . Или можно воспользоваться Kernel Debugger входящим в состав DDK.

Существует два метода установки драйвера:

1. При наличии. inf файла, установка драйвера производиться с помощью стандартного менеджера установки оборудования OC Windows . Инсталляция при помощи inf-файла позволяет выполнить все действия по копированию файлов, относящихся к драйверу, и внесению изменений в Системный Рее стр пр актически без участия пользователя.
2. C помощью функций SCM Менеджера возможно установить драйвер непосредственно из приложения, которое также может выполнить как остановку, так и выгрузку драйвера. Следует, однако, признать, что не все драйверы поддаются работе через сервисы SCM Менеджера. Этот удобный (особенно при экспериментах по изучению системных вызовов режима ядра).

Порядок функционирования драйвера в ОС

Обычно принята двухуровневая схема организации драйверов виртуальных устройств. На самом нижнем уровне (уровень ядра операционной системы) работает собственно драйвер виртуального устройства. Который должен выполнять все операции ввода/вывода, которые может осуществлять устройство, реализовывать интерфейс IOCTL и взаимодействовать с системой. По возможности данная часть ПО должна быть небольшой и занимать минимум процессорного времени.

Рис. 1 Схема взаимодействия пользовательской программы с драйвером

Второй уровень – уровень DLL, предоставляющей API прикладным программам (далее уровень API). Под API понимается набор функций, которые могут вызывать клиентские программы, для доступа к нашему виртуальному устройству. Клиентские приложения, которые желают работать с драйвером, также могут использовать интерфейс IOCTL.

Третий уровень – уровень клиентских приложений он уже не относится к драйверу.

Пример простейшего драйвера:

Вид файла driver.h:

#ifdef __cplusplus

extern "C"

#endif

#include "ntddk.h"

#ifdef __cplusplus

#endif

// Определяем структуру расширения устройства. Включим в нее

// указатель на FDO и имя символьной ссылки в формате UNOCODE_STRING.

typedef struct _EXAMPLE_DEVICE_EXTENSION

PDEVICE_OBJECT fdo;

UNICODE_STRING ustrSymLinkName; // L"\\DosDevices\\Example"

} EXAMPLE_DEVICE_EXTENSION, *PEXAMPLE_DEVICE_EXTENSION;

Текст init.cpp:

2. #include "Driver.h"

   // Предварительные объявления функций:

   VOID UnloadRoutine(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject) ;

   NTSTATUS Create_File_IRPprocessing(IN PDEVICE_OBJECT fdo, IN PIRP Irp) ;

   NTSTATUS Close_Handle_IRPprocessing(IN PDEVICE_OBJECT fdo, IN PIRP Irp) ;

   #pragma code_seg("INIT") // начало секции INIT

   // DriverEntry - инициализация драйвера и необходимых объектов

   // Аргументы: указатель на объект драйвера

   // раздел реестра (driver service key) в UNICODE

   // Возвращает: STATUS_Xxx

   extern "C"

   NTSTATUS DriverEntry( IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,

   IN PUNICODE_STRING RegistryPath )

   NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;

   PDEVICE_OBJECT fdo;

   UNICODE_STRING devName;

   // Экспорт точек входа в драйвер

   DriverObject->DriverUnload = UnloadRoutine;

   DriverObject->MajorFunction[ IRP_MJ_CREATE] = Create_File_IRPprocessing;

   DriverObject->MajorFunction[ IRP_MJ_CLOSE] = Close_Handle_IRPprocessing;

   // Действия по созданию символьной ссылки

   RtlInitUnicodeString( &devName, L"\\ Device\\ EXAMPLE" ) ;

   // Создаем наш Functional Device Object (FDO) и получаем

   // указатель на созданный FDO в нашей переменной fdo.

   status = IoCreateDevice(DriverObject,

   sizeof (EXAMPLE_DEVICE_EXTENSION) ,

   &devName, // может быть и NULL

   FILE_DEVICE_UNKNOWN,

   FALSE , // без эксклюзивного доступа

   &fdo) ;

   if (!NT_SUCCESS(status) ) return status;

   // Получаем указатель на область, предназначенную под

   // структуру расширение устройства

   PEXAMPLE_DEVICE_EXTENSION dx =

   (PEXAMPLE_DEVICE_EXTENSION) fdo->DeviceExtension;

   dx->fdo = fdo; // Сохраняем обратный указатель

   UNICODE_STRING symLinkName; // Сформировать символьное имя:

   // необходимо поступать следующим образом:

   #define SYM_LINK_NAME L"\\DosDevices\\Example"

   RtlInitUnicodeString( &symLinkName, SYM_LINK_NAME ) ;

   dx->ustrSymLinkName = symLinkName;

   status = IoCreateSymbolicLink( &symLinkName, &devName ) ;

   if (!NT_SUCCESS(status) )

   { // при неудаче - удалить Device Object и вернуть управление

   IoDeleteDevice( fdo ) ;

   return status;

   } // Теперь можно вызывать CreateFile("\\\\.\\Example",...);

   // в пользовательских приложениях

   return status;

   #pragma code_seg() // end INIT section

   // CompleteIrp: Устанавливает IoStatus и завершает обработку IRP

   // Первый аргумент - указатель на объект нашего FDO.

   NTSTATUS CompleteIrp( PIRP Irp, NTSTATUS status, ULONG info)

Драйверы внешних устройств

Драйвер (driver) представляет собой специализированный программный модуль, управляющий внешним устройством. Слово driver происходит от глагола to drive (вести) и переводится с английского языка как извозчик или шофер: тот, кто ведет транспортное средство. Драйверы обеспечивают единый интерфейс для доступа к различным устройствам, тем самым устраняя зависимость пользовательских программ и ядра ОС от особенностей аппаратуры. Драйвер не обязательно должен управлять каким-либо физическим устройством. Многие ОС предоставляют также драйверы виртуальных устройств или псевдоустройств – объектов, которые ведут себя аналогично устройству ввода-вывода, но не соответствуют никакому физическому устройству. В виде псевдоустройств реализуются трубы в системах семейства Unix и почтовые ящики в VMS. Еще одним примером полезного псевдоустройства являются устройства /dev/null в Unix и аналогичное ему \DEV\NUL в MS DOS\Windows\OS/2.

Прикладные программы, использующие собственные драйверы, не так уж редки – примерами таких программ могут быть GhostScript (свободно распространяемый интерпретатор языка PostScript, способный выводить программы на этом языке на различные устройства.

Большинство ОС общего назначения запрещают пользовательским программам непосредственный доступ к аппаратуре. Это делается для повышения надежности и обеспечения безопасности в многопользовательских системах. В таких системах драйверы являются для прикладных программ единственным способом доступа к внешнему миру. Еще одна важная функция драйвера – это взаимоисключение доступа к устройству в средах с вытесняющей многозадачностью. Допускать одновременный неконтролируемый доступ к устройству нескольких параллельно исполняющихся процессов просто нельзя, потому что для большинства внешних устройств даже простейшие операции ввода-вывода не являются атомарными. Например, в большинстве аппаратных реализации последовательного порта RS232 передача байта состоит из четырех шагов: записи значения в регистр данных, записи команды “передавать” в регистр команды, ожидания прерывания по концу передачи и проверки успешности передачи путем считывания статусного регистра устройства. Нарушение последовательности шагов может приводить к неприятным последствиям – например, перезапись регистра данных после подачи команды, но до завершения передачи, может привести к остановке передачи или, что еще хуже, передаче искаженных данных и т. д. Нельзя также забывать о неприятностях более высокого уровня – например, смешивании вывода разных процессов на печати или данных – на устройстве внешней памяти. Поэтому оказывается необходимо связать с каждым внешним устройством какой-то разграничитель доступа во времени. В современных ОС эта функция возлагается именно на драйвер. Обычно одна из нитей драйвера представляет собой процесс-монитор, выполняющий асинхронно поступающие запросы на доступ к устройству. В Unix, OS/2 и Windows NT/2000/XP этот процесс называется стратегической функцией. При определении интерфейса драйвера разработчики ОС должны найти правильный баланс между противоречивыми требованиями:

1. стремлением как можно сильнее упростить драйвер, чтобы облегчить его разработку и (косвенно) уменьшить вероятность опасных ошибок;

2. желанием предоставить гибкий и интеллектуальный интерфейс к разнообразным устройствам.

Драйверы обычно разрабатываются не поставщиками операционной системы, а сторонними фирмами – разработчиками и изготовителями периферийного оборудования. Поэтому интерфейс драйвера является ничуть не менее внешним, чем то, что обычно считается внешним интерфейсом ОС – интерфейс системных вызовов. Соответственно, к нему предъявляются те же требования, что и к любому другому внешнему интерфейсу: он должен быть достаточно простым, исчерпывающе документированным и стабильным – не меняться непредсказуемо от одной версии ОС к другой. Идеальным вариантом была бы полная совместимость драйверов хотя бы снизу вверх, чтобы драйвер предыдущей версии ОС мог использоваться со всеми последующими версиями. Потеря совместимости в данном случае означает, что все независимые изготовители оборудования должны будут обновить свои драйверы. Организация такого обновления оказывается сложной, неблагодарной и часто попросту невыполнимой задачей – например, потому, что изготовитель оборудования уже не существует как организация или отказался от поддержки данного устройства. Таким образом, интерфейс драйвера часто оказывается наиболее консервативной частью ОС. К сожалению – несмотря даже на то, что в общих чертах архитектура драйвера в большинстве современных ОС удивительно похожа – идея эта, по-видимому, нереализуема. Даже для близкородственных ОС – например, систем семейства Unix – драйверы одного и того же устройства не всегда могут быть легко перенесены из одной ОС в другую, не говоря уж о возможности использования без модификаций. Еще более удивительным является тот факт, что две линии ОС – Windows 95/98/МЕ и Windows NT/2000/XP – поставляемых одной и той же компанией Microsoft и реализующих почти один и тот же интерфейс системных вызовов, – Win32 – имеют совсем разный интерфейс драйвера. Проблема здесь в том, что интерфейс между драйвером и ядром ОС всегда двусторонний: не только прикладные программы и ядро вызывают функции драйвера, но и, наоборот, драйвер должен вызывать функции ядра. Таким образом, до тех пор, пока используются ОС различной архитектуры, разработка универсального интерфейса драйвера, если теоретически и возможна, то практически вряд ли осуществима.

Драйвер устройства - необходим для каждого устройства. Для разных ОС нужны разные драйверы.

Драйверы должны быть частью ядра (в монолитной системе), что бы получить доступ к регистрам контроллера.

Это одна из основных причин приводящих к краху операционных систем. Потому что драйверы, как правило, пишутся производителями устройств, и вставляются в ОС.

Логическое расположение драйверов устройств. На самом деле обмен данными между контроллерами и драйверами идет по шине.

Драйвера должны взаимодействовать с ОС через стандартные интерфейсы.

Стандартные интерфейсы, которые должны поддерживать драйвера:

• Для блочных устройств
• Для символьных устройств

Раньше для установки ядра приходилось перекомпилировать ядра системы.

Сейчас в основном ОС загружают драйверы. Некоторые драйверы могут быть загружены в горячем режиме.

Функции, которые выполняют драйвера:

• обработка запросов чтения или записи
• инициализация устройства
• управление энергопотреблением устройства
• прогрев устройства (сканера)
• включение устройства или запуска двигателя

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Операционная система, процессы, оборудование

Операционная система ос в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом ос выполняет две по существу мало связанные.. ос как виртуальная расширенная машина использование большинства компьютеров.. с точки зрения пользователя функцией ос является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Особенности аппаратных платформ
На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, ми

Задачи и упражнения
1. Какие события в развитии технической базы вычислительных машин стали вехами в истории операционных систем? 2. В чем состояло принципиальное отличие первых мониторов пакетной обработки о

Архитектура операционной системы
Любая хорошо организованная сложная система имеет понятную и рациональную структуру, то есть разделяется на части - модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с че

Управление основной памятью
Память представляет собой большой массив слов или байт, каждый из которых имеет собственный адрес. Это хранилище данных, к которым обеспечивается быстрый доступ, распределенный между процессором и

Управление внешней памятью
Поскольку основная память (первичная память) энергозависима и слишком мала для размещения всех данных и программ постоянно, ВС должна обеспечить вторичную память для сохранения основной памяти. Бол

Подсистема управления файлами
Файл представляет собой набор взаимосвязанной информации, определенной при создании. Кроме собственно данных, файлы представляют программы, как в исходном, так и в объектном виде. Подсисте

Сетевое обеспечение
Распределенная система - набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечив

Ядро и вспомогательные модули ОС
Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы: ядро - модули ОС, выполняющие основные функции;

Ядро и привилегированный режим
Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение мо

Многослойная структура ОС
Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппар

Структура ядра
Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, но часть функций ОС может выполняться и аппаратными средствами. Поэт

Аппаратная зависимость и переносимость ОС
Многие операционные системы успешно работают на различных аппаратных платформах без существенных изменений в своем составе. Во многом это объясняется тем, что, несмотря на различия

Переносимость операционной системы
Если код операционной системы может быть сравнительно легко перенесен с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную пл

Концепция
Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы. Под классической архитектурой в данном случае понимается рассмотренная выше структурная органи

Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов
Необходимо различать совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения обычно хранятся в ОС в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные обра

Трансляция библиотек
Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих прикладную программную среду, является набор фун

Способы реализации прикладных программных сред
Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой операционной системы, является достаточно сложной задачей, тесно свя­занной со структурой операционной системы. Существ

Понятие процесса
Процессом называется некоторая деятельность, выполняемая на процессоре. Процессором в широком смысле называется любое устройство в составе ЭВМ, спо

Понятие ресурса
Одной из функций ОС является обеспечение эффективного и бесконфликтного способа управления ресурсами вычислительной системы. Под ресурсом часто понимается показатель

Концепция виртуализации
Виртуализация того или иного ресурса осуществляется в рамках централизованной схемы распределения ресурсов. Путем виртуализации осуществляются две формы обмана пользователей:

Одноочередные дисциплины обслуживания
а) FIFO (First In -- First Out) – дисциплина обслуживания в порядке поступления. Все заявки поступают в конец очереди. Первыми обслуживаются заявки, находящиеся в начале очереди. Схематическ

Система прерываний
Ситуация, которая возникает в результате воздействия какого-то независимого события, приводящего к временному прекращению выполнения последовательности команд одной программы с цель

Понятие процесса
Процесс(задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство, из которого он может читать и в ко

Модель процесса
В многозадачной системе реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для упрощения модели рассматривается набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно). Рассмотрим

Завершение процесса
(вызов exit или ExitProcess): Плановое завершение (окончание выполнения) Плановый выход по известной ошибке (например, отсутствие файла)

Иерархия процессов
В UNIX системах заложена жесткая иерархия процессов. Каждый новый процесс созданный системным вызовом fork, является дочерним к предыдущему процессу. Дочернему процессу достаются от родительского п

Состояние процессов
Три состояния процесса: Выполнение (занимает процессор) Готовность (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу) Ожидание (процесс

Понятие потока
Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приход

Модель потока
С каждым потоком связывается: Счетчик выполнения команд Регистры для текущих переменных Стек Состояние Потоки делят между собой элементы

Преимущества использования потоков
Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства. Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз. Повышен

Реализация потоков в пространстве пользователя, ядра и смешанное
А - потоки в пространстве пользователя B

Особенности реализации Windows
Используется четыре понятия: Задание - набор процессов с общими квотами и лимитами Процесс - контейнер ресурсов (память...), содержит как минимум один поток. Пото

Взаимодействие между процессами
Ситуации, когда приходится процессам взаимодействовать: Передача информации от одного процесса другому Контроль над деятельностью процессов (например: когда они борются за о

Передача информации от одного процесса другому
Передача может осуществляться несколькими способами: Разделяемая память Каналы(трубы), это псевдофайл, в который один процесс пишет, а другой читает.

Состояние состязания
Состояние состязания - ситуация когда несколько процессов считывают или записывают данные (в память или файл) одновременно. Рассмотрим пример, когда два процесса пытаются

Критические области
Критическая область - часть программы, в которой есть обращение к совместно используемым данным. Условия избегания состязания и эффективной работы процессов: Два процесса не

Переменные блокировки
Вводится понятие переменной блокировки, т.е. если значение этой переменной равно, например 1, то ресурс занят другим процессом, и второй процесс переходит в режим ожидания (блокируется) до тех пор,

Строгое чередование
В этой модели, процессы могут выполняться строго по очереди, используя переменную.

Примитивы взаимодействия процессов
Вводится понятия двух примитивов. sleep - системный запрос, в результате которого вызывающий процесс блокируется, пока его не запустит другой процесс. wak

Семафоры
Семафоры - переменные для подсчета сигналов запуска, сохраненных на будущее. Были предложены две операции down и up (аналоги sleep и wake

Планирование в системах пакетной обработки
6.2.1 "Первый пришел - первым обслужен" (FIFO - First In Fist Out) Процессы ставятся в очередь по мере поступления. Преимущества:

Циклическое планирование
Самый простой алгоритм планирования и часто используемый. Каждому процессу предоставляется квант времени процессора. Когда квант заканчивается процесс переводится планировщиком в конец оче

Приоритетное планирование
Каждому процессу присваивается приоритет, и управление передается процессу с самым высоким приоритетом. Приоритет может быть динамический и статический. Динамичес

Планирование в системах реального времени
Системы реального времени делятся на: жесткие (жесткие сроки для каждой задачи) - управление движением гибкие (нарушение временного графика не желательны, но допустимы) - уп

Общее планирование реального времени
Используется модель, когда каждый процесс борется за процессор со своим заданием и графиком его выполнения. Планировщик должен знать: частоту, с которой должен работать кажд

Взаимоблокировка процессов
Взаимоблокировка процессов может происходить, когда несколько процессов борются за один ресурс. Ресурсы бывают выгружаемые и невыгружаемые, аппаратные и программные.

Моделирование взаимоблокировок
Моделирование тупиков с помощью графов. Условные обозначения На такой модели оч

Обнаружение и устранение взаимоблокировок
Система не пытается предотвратить взаимоблокировку, а пытается обнаружить ее и устранить. Обнаружение взаимоблокировки при наличии одного ресурса каждого типа

Динамическое избежание взаимоблокировок
В этом способе ОС должна знать, является ли предоставление ресурса безопасным или нет. Траектории ресурсов Рассмотрим модель из двух процессов и двух ресурсов

Предотвращение четырех условий, необходимых для взаимоблокировок
Предотвращение условия взаимного исключения Можно минимизировать количество процессов борющихся за ресурсы. Например, с помощью спулинга для принтера, когда т

Принципы аппаратуры ввода-вывода
Два нижних уровня системы управления вводом-выводом составляет hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройст

Контроллеры устройств
Устройства ввода-вывода обычно состоят из двух частей: механическая (не надо понимать дословно) - диск, принтер, монитор электронная - контроллер или

Отображаемый на адресное пространство памяти ввод-вывод
Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. При помощи этих регистров ОС управляет (считывает, пишет, включает и т.д.) и определя

Прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access)
Прямой доступ к памяти реализуется с помощью DMA - контроллера. Контроллер содержит несколько регистров: регистр адреса памяти счетчик байтов

Прерывания
После того как устройство ввода-вывода начало работу, процессор переключается на другие задачи. Чтобы сигнализировать процессору об окончании работы, устройство инициализирует прерывание,

Задачи программного обеспечения ввода-вывода
Основные задачи, которые должно решать программное обеспечение ввода-вывода: Независимость от устройств - например, программа, читающая данные из файла не должна задумываться с чего

Программный ввод-вывод
В этом случае всю работу выполняет центральный процессор. Рассмотрим процесс печати строки ABCDEFGH этим способом.

Управляемый прерываниями ввод-вывод
Если в предыдущем примере буфер не используется, а принтер печатает 100 символов в секунду, то на каждый символ будет уходить 10мс, в это время процессор будет простаивать, ожидая готовности принте

Обработчики прерываний
Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Лучше всего блокировать драйвер, начавший ввод-вывод. Алго

Независимое от устройств программное обеспечение ввода-вывода
Функции независимого от устройств программного обеспечения ввода-вывода: Единообразный интерфейс для драйверов устройств, Буферизация Сообщения об ошибках

Обобщение уровней и функций ввода-вывода
Уровни и основные функции системы ввода-вывода Баз

Блокирующиеся, неблокирующиеся и асинхронные системные вызовы
Все системные вызовы, связанные с осуществлением операций ввода-вывода, можно разбить на три группы по способам реализации взаимодействия процесса и устройства ввода-вывода. · К первой, на

Буферизация и кэширование
Под буфером обычно понимается некоторая область памяти для запоминания информации при обмене данных между двумя устройствами, двумя процессами или процессом и устройством. Обмен ин

Spooling и захват устройств
О понятии spooling мы говорили в первой лекции нашего курса, как о механизме, впервые позволившем совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого зад

Обработка прерываний и ошибок
Если при работе с внешним устройством вычислительная система не пользуется методом опроса его состояния, а задействует механизм прерываний, то при возникновении прерывания, как мы уже

Планирование запросов
При использовании неблокирующегося системного вызова может оказаться, что нужное устройство уже занято выполнением некоторых операций. В этом случае неблокирующийся вызов может немедл

Принципы, заложенные в подсистему управления вводом-выводом в ОС UNIX
1. Эта подсистема построена единообразно с подсистемой управления данными (файловой системой). Пользователю предоставляется унифицированный способ доступа как к ПУ, так и к файлам. Под файлом в ОС

Управление памятью в ОС
4.1. Понятие об организации и управлении физической памятью в операционных системах 4.2. Методы связного распределения основной памяти 4.2.1. Связное распределен

Понятие об организации и управлении физической памятью в операционных системах
Организация и управление основной (первичной, физической, реальной) памятью вычислительной машины - один из важнейших факторов, определяющих построение операционных систем. В англоязычной техническ

Связное распределение памяти для одного пользователя
Связное распределение памяти для одного пользователя, называемое также одиночным непрерывным распределением, применяется в ЭВМ, работающих в пакетном однопрограммном режиме под управлением простейш

Связное распределение памяти при мультипрограммной обработке
При мультипрограммной обработке в памяти компьютера размещается сразу несколько заданий. Распределение памяти между заданиями в этом случае может быть выполнено следующими способами: · рас

Стратегии размещения информации в памяти
Стратегии размещения информации в памяти предназначены для того, чтобы определить, в какое место основной памяти следует помещать поступающие программы и данные при распределении памяти неперемещае

Основные концепции виртуальной памяти
Термин виртуальная память обычно ассоциируется с возможностью адресовать пространство памяти, гораздо большее, чем емкость первичной (реальной, физической) памяти конкретной вычислительной м

Страничная организация виртуальной памяти
Виртуальный адрес при чисто страничной организации памяти _ это упорядоченная пара (p, d), где p - номер страницы в виртуальной памяти, а d - смещение в рамках страницы p. Процесс может выполняться

Сегментная организация виртуальной памяти
Виртуальный адрес при сегментной организации виртуальной памяти - это упорядоченная пара n = (s, d) , где s - номер сегмента виртуальной памяти, а d - смещение в рамках этого сегмента. Процесс мож

Странично-сегментная организация виртуальной памяти
Системы со странично-сегментной организацией обладают достоинствами обоих способов реализации виртуальной памяти. Сегменты обычно содержат целое число страниц, причем не обязательно, чтобы все стра

Стратегии управления виртуальной памятью
Стратегии управления виртуальной памятью, так же как и стратегии управления физической памятью, разделяются на три категории: стратегии вталкивания, стратегии размещения и стратегии выталкивания.

Стратегии вталкивания (подкачки)
Для управления вталкиванием применяются следующие стратегии: · вталкивание (подкачка) по запросу (по требованию); · вталкивание (подкачка) с упреждением (опережением).

Стратегии размещения
В системах со страничной организацией виртуальной памяти решение о размещении вновь загружаемых страниц принимается достаточно просто: новая страница может быть помещена в любой свободный

Стратегии выталкивания
В мультипрограммных системах вся первичная память бывает, как правило, занята. В этом случае программа управления памятью должна решать, какую страницу или какой сегмент следует удалить из первично

Именование файлов
Длина имени файла зависит от ОС, может быть от 8 (MS-DOS) до 255 (Windows, LINUX) символов. ОС могут различать прописные и строчные символы. Например, WINDOWS и windows для MS-DOS одно и т

Структура файла
Три основные структуры файлов: 1. Последовательность байтов - ОС не интересуется содержимым файла, она видит только байты. Основное преимущество такой системы, это гибкост

Типы файлов
Основные типы файлов: · Регулярные - содержат информацию пользователя. Используются в Windows и UNIX. · Каталоги - системные файлы, обеспечивающи

Атрибуты файла
Основные атрибуты файла: · Защита - кто, и каким образом может получить доступ к файлу (пользователи, группы, чтение/запись). Используются в Windows и UNIX. · Пароль - пароль к фа

Файлы, отображаемые на адресное пространство памяти
Иногда удобно файл отобразить в памяти (не надо использовать системные вызовы ввода-вывода для работы с файлом), и работать с памятью, а потом записать измененный файл на диск. При использ

Одноуровневые каталоговые системы
В этой системе все файлы содержатся в одном каталоге. Од

Имя пути
Для организации дерева каталогов нужен некоторый способ указания файла. Два основных метода указания файла: · абсолютное имя пути - указывает путь от корневого ка

Реализация каталогов
При открытии файла используется имя пути, чтобы найти запись в каталоге. Запись в каталоге указывает на адреса блоков диска. В зависимости от системы это может быть: · дисковый ад

Реализация длинных имен файлов
Раньше операционные системы использовали короткие имена файлов, MS-DOS до 8 символов, в UNIX Version 7 до 14 символов. Теперь используются более длинные имена файлов (до 255 символов и больше).

Ускорение поиска файлов
Если каталог очень большой (несколько тысяч файлов), последовательное чтение каталога мало эффективно. 1 Использование хэш-таблицы для ускорения поиска файла.

А - совместно используемый файл
Такая файловая система называется ориентированный ациклический граф(DAG, Directed Acyclic Graph). Возникает проблема, если дисковые адреса содержатся в самих каталоговых з

Размер блока
Если принято решение хранить файл в блоках, то возникает вопрос о размере этих блоков. Есть две крайности: · Большие блоки - например, 1Мбайт, то файл даже 1 байт займет целый бло

Учет свободных блоков
Основные два способа учета свободных блоков: · Связной список блоков диска, в каждом блоке содержится номеров свободных блоков столько, сколько вмешается в блок. Часто для списка резервир

Дисковые квоты
Чтобы ограничить пользователя, существует механизм квот. Два вида лимитов: · Жесткие - превышены быть не могут · Гибкие - могут быть превышены, но при выходе пользователь

Резервное копирование
Случаи, для которых необходимо резервное копирование: · Аварийные ситуации, приводящие к потере данных на диске · Случайное удаление или программная порча файлов Основные

Непротиворечивость файловой системы
Если в системе произойдет сбой, прежде чем модифицированный блок будет записан, файловая система может попасть в противоречивое состояние. Особенно если это блок i-узла, каталога и

Кэширование
Блочный кэш (буферный кэш) - набор блоков хранящиеся в памяти, но логически принадлежащие диску. Перехватываются все запросы чтения к диску, и проверяется наличие требуемы

Файловая система ISO 9660
Более подробная информация - http://ru.wikipedia.org/wiki/ISO_9660 Стандарт принят в 1988 г. По стандарту диски могут быть разбиты на логические разделы, но мы будем рассматривать диски с

Каталоговая запись стандарта ISO 9660
Расположение файла - номер начального блока, т.к. блоки располагаются последовательно. L - длина имени файла в байтах Имя файла - 8 символов, 3 символа расширения (из-за совместим

Рок-ридж расширения для UNIX
Это расширение было создано, чтобы файловая система UNIX была представлена на CD-ROM. Для этого используется поле System use. Расширения содержат следующие поля: 1. PX -

Файловая система UDF (Universal Disk Format)
Более подробная информация - http://ru.wikipedia.org/wiki/Universal_Disk_Format Изначально созданная для DVD, с версии 1.50 добавили поддержку CD-RW и CD-R. Сейчас последняя верси

Файловая система MS-DOS (FAT-12,16,32)
В первых версиях был только один каталог (MS-DOS 1.0). С версии MS-DOS 2.0 применили иерархическую структуру. Каталоговые записи, фиксированны по 32 байта. Имена файлов -

Они будут задействованы в Windows 98
Атрибут архивныйнужен для программ резервного копирования, по нему они определяют надо копировать файл или нет. Поле время (16 разрядов) разбивается на три подполя:

Расширение Windows 98 для FAT-32
Для расширения были задействованы 10 свободных бит. Форм

Основная надстройка над FAT-32, это длинные имена файлов
Для каждого файла стали присваивать два имени: 1. Короткое 8+3 для совместимости с MS-DOS 2. Длинное имя файла, в формате Unicode Доступ к файлу может быть получен по люб

Формат каталогов записи с фрагментом длинного имени файла в Windows 98
Поле "Атрибуты" позволяет отличить фрагмент длинного имени (значение 0х0F) от дескриптора файла. Старые программы MS-DOS каталоговые записи со значением поля атрибутов 0х0

Файловая система NTFS
Файловая система NTFS была разработана для Windows NT. Особенности: · 64-разрядные адреса, т.е. теоретически может поддерживать 264*216 байт (1 208 925 819 M

Поиск файла по имени
При создании файла, программа обращается к библиотечной процедуре CreateFile("C:windowsreadmy.txt", ...) Этот вызов попадает в совместно используемую библиотеку уровня п

Сжатие файлов
Если файл помечен как сжатый, то система автоматически сжимает при записи, а при чтении происходит декомпрессия. Алгоритм работы: 1. Берутся для изучения первые 16 блоков файла (н

Шифрование файлов
Любую информацию, если она не зашифрована, можно прочитать, получив доступ. Поэтому самая надежная защита информации от несанкционированного доступа - шифрование. Даже если у вас украдут в

Файловая система UNIX V7
Хотя это старая файловая система основные элементы используются и современных UNIX системах. Особенности: · Имена файлов ограничены 14 символами ASCII, кроме косой черты "/&q

Структура i-узела
Поле Байты Описание Mode Тип файла, биты защиты, биты setuid и setgid Nlinks

Создание и работа с файлом
fd=creat("abc", mode) - Пример создания файла abc с режимом защиты, указанном в переменной mode(какие пользователи имеют доступ). Используется системный

Файловая система BSD
Основу составляет классическая файловая система UNIX. Особенности (отличие от предыдущей системы): · Увеличена длина имени файла до 255 символов · Реорганизованы каталоги

Размещение файловой системы EXT2 на диске
Другие особенности: · Размер блока 1 Кбайт · Размер каждого i-узла 128 байт. · i-узел содержит 12 прямых и 3 косвенных адресов, длина адреса в i-узле стала 4 байта, что о

Файловая система EXT3
В отличие от EXT2, EXT3 является журналируемой файловой системой, т.е. не попадет в противоречивое состояние после сбоев. Но она полностью совместима с EXT2.

Файловая система XFS
XFS - журналируемая файловая система разработанная Silicon Graphics, но сейчас выпущенная открытым кодом (open source). Официальная информация на http://oss.sgi.com/projec

Файловая система RFS
RFS (RaiserFS)- журналируемая файловая система разработанная Namesys. Официальная информация на RaiserFS Некоторые особенности: · Более эффективно работа

Файловая система JFS
JFS (Journaled File System) -журналируемая файловая система разработанная IBM для ОС AIX, но сейчас выпущенная как открытый код. Официальная информация на Journaled File S

Структура уровней файловой системы NFS
VFS (Virtual File System) - виртуальная файловая система. Необходима для управления таблицей открытых файлов. Записи для каждого открытого файла называются v-узлам