Структурирование аппаратных драйверов

Аппаратные драйверы можно назвать «истинными» драйверами, так как, в отличие от высокоуровневых драйверов, они выполняют все традиционные функции по управлению устройствами, включая обработку прерываний и непосредственное взаимодействие с устройствами ввода-вывода.

Более точно, аппаратный драйвер имеет дело не с устройством, а с его контроллером.

Контроллер, как правило, выполняет достаточно простые функции, например, преобразует поток битов в блоки данных и осуществляют контроль и исправление возникающих в процессе обмена данными ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. Обычно у контроллера имеются регистры данных, через которые осуществляется обмен данными между драйвером и устройством, и управляющие регистры, в которые драйвер помещает команды. В некото­рых типах компьютеров регистры являются частью физического адресного про­странства, при этом в таких компьютерах отсутствуют специальные инструкции ввода-вывода — их функции выполняют инструкции обмена с памятью. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода (например, команд IN и OUT в процессорах Intel Pentium).

Внешнее устройство в общем случае состоит из механических и электронных компонентов. Обычно электронная часть устройства сосредоточивается в его контроллере, хотя это и не обязательно. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпус­кать совместимые со стандартом контроллеры и устройства.

Аппаратный драйвер выполняет ввод-вывод данных, записывая команды в регистры контроллера. Например, контроллер диска персонального компьютера принимает такие команды, как READ, WRITE, SEEK, FORMAT и т. д. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер генерирует запрос прерывания, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и данные о статусе устройства, читая информацию из регистров контроллера.

Аппаратные драйверы могут в своей работе опираться на микропрограммные драйверы (firmware drivers), поставляемые производителем компьютера и находящиеся в постоянной памяти компьютера (в персональных компьютерах это программное обеспечение получило название BIOS — Basic Input-Output System). Микропрограммное обеспечение представляет собой самый нижний слой программного обеспечения компьютера, управляющий устройствами. Модули этого слоя выполняют функции транслирующих драйверов и конверторов, экранирующих специфические интерфейсы аппаратуры данной компью­терной системы от операционной системы и ее драйверов.

Драйвер выполняет операцию ввода-вывода, которая представляет собой обмен с устройством заданный количеством байтов по заданному адресу оперативной памяти (и адресу устройства ввода-вывода в том случае, когда оно является адресуемым). Примерами операций ввода-вывода могут служить чтение нескольких смежных секторов диска или печать на принтере нескольких строк документа. Операция задается одним системным вызовом ввода-вывода, например read или write.

Операция отрабатывается драйвером в общем случае за несколько действий. Так, при выводе документа на принтер драйвер сначала выполняет некоторые начальные действия, приводящие принтер в состояние готовности к печати, затем выводит в буфер принтера первую порцию данных и ждет сигнала прерывания, который свидетельствует об окончании контроллером принтера печати этой порции данных. После этого в буфер выводится вторая порция данных и т. д.

Так как большинство действий драйвер выполняет асинхронно по отношению к вызвавшему драйвер процессу, то драйверу запрещается изменять контекст текущего процесса (который в общем случае отличается от вызвавшего). Кроме того, драйвер не может запрашивать у ОС выделения дополнительных ресурсов или отказываться от уже имеющихся у текущего процесса — драйвер должен пользоваться теми системными ресурсами, которые выделяются непосредственно ему (а не процессу) на этапе загрузки в систему или старта очередной операции ввода-вывода. Соблюдение этих условий необходимо для корректного распределения ресурсов между процессами — каждый получает то, что запрашивал и что непосредственно ему выделила операционная система.

В подсистеме ввода-вывода каждой современной операционной системы существует стандарт на структуру драйверов. Несмотря на специфику управляемых устройств, в любом драйвере можно выделить некоторые общие части, выполняющие определенный набор действий, такие как запуск операции ввода-вывода, обработка прерывания от контроллера устройства и т. п. Рассмотрим принципы структуризации драйверов на примере операционных систем семейства Windows NT и Unix.