Структура драйвера ос семейства Windows nt
Особенностью ОС семейства Windows NT является общая структура драйверов любого уровня и расширенное толкование самого понятия «драйвер», В ОС семейства Windows NT и аппаратный драйвер диска, и высокоуровневый драйвер файловой системы построены единообразно, поэтому другие модули ОС взаимодействуют с драйверами одним и тем же способом.
Драйвер ОС семейства Windows NT состоит из следующих (не обязательно всех) процедур:
Процедура инициализации драйвера. Эта процедура выполняется при загрузке драйвера в подсистему ввода-вывода, при этом создаются системные объекты, которые позволяют менеджеру ввода-вывода найти нужный драйвер для управления определенным устройством или выполнения некоторых высокоуровневых функций с информацией, получаемой от устройства или передаваемой в устройство.
Набор диспетчерских процедур. Эти процедуры составляют основу драйвера, так как именно они выполняют операции ввода-вывода, поддерживаемые данным драйвером, например чтение данных, запись данных, перемотка ленты и т. п.
Стартовая процедура предназначена для приведения устройства в исходное состояние перед началом очередной операции. Выполняет «открытие» (open) устройства.
Процедура обслуживания прерываний (ISR) включает наиболее важные действия, которые нужно выполнить при возникновении очередного аппаратного прерывания от контроллера устройства. Процедура обслуживания прерывания драйвера имеет достаточно высокий приоритет запроса прерывания IRQL (к примеру, он выше приоритета диспетчера потоков), поэтому в нее рекомендуется включать только те функции, которые требуют незамедлительной реакции, чтобы не задерживать надолго работу других модулей и процессов. При завершении работы ISR может поставить в очередь диспетчера прерываний DPC-процедуру драйвера.
Процедура, выполняемая посредством механизма отложенных вызовов (DPC). Эта процедура также состоит из функций, которые нужно выполнить при возникновении прерывания от контроллера устройства, однако эти функции не требуют такой быстрой реакции, как ISR-функции. В результате DPC-процедура обслуживается с более низким значением приоритета IRQL, давая возможность ISR-процедурам и другим приоритетным запросам обслуживаться в первую очередь. Обычно большая часть действий драйвера по обработке прерывания включается в DPC-процедуру.
Процедура завершения операции уведомляет менеджер ввода-вывода о том, что операция завершена и данные находятся в системной области памяти. Менеджер при этом может вызвать драйвер более высокого уровня для продолжения обработки данных или же вызывать АРС-процедуру (см. раздел «Процедуры обработки прерываний и текущий процесс» в главе 4) для копирования данных из системной области в область памяти пользовательского процесса.
Процедура отмены ввода-вывода. Для разных стадий выполнения операции могут существовать разные процедуры отмены.
Процедура выгрузки драйвера вызывается при динамической выгрузке драйвера из подсистемы ввода-вывода. Удаляет созданные для драйвера объекты и освобождает системную память.
Процедура регистрации ошибок. При возникновении ошибки в процессе выполнения операции данная процедура уведомляет о ней менеджер ввода-вывода, который, в свою очередь, делает соответствующую запись в журнале регистрации.
Адреса всех перечисленных процедур представляют собой точки входа в драйвер, известные менеджеру ввода-вывода. Эти адреса хранятся в объекте, создаваемом для каждого драйвера ОС семейства Windows NT, и менеджер использует такие объекты для вызова той или иной функции драйвера. Процедура диспетчеризации используется как общая точка входа для нескольких процедур обмена данными (чтение, запись, управление и т. п.), набор которых изменяется от драйвера к драйверу и, следовательно, не может быть стандартизован.
Большое количество стандартизованных функций драйвера ОС семейства Windows NT обусловлено желанием разработчиков этой ОС иметь единую модель для драйверов всех типов, от сравнительно простого аппаратного драйвера COM-порта до весьма сложного драйвера файловой системы NTFS. В результате некоторые функции для некоторого драйвера могут оказаться невостребованными. Например, для высокоуровневых драйверов не нужна процедура обслуживания прерываний (ISR), так как прерывания от устройства обрабатывает соответствующий низкоуровневый драйвер, который затем вызывает высокоуровневый драйвер с помощью менеджера ввода-вывода, не используя механизм прерываний.
Рассмотрим особенности вызова функций аппаратного драйвера ОС семейства Windows NT на примере выполнения операции чтения с диска (рис. 8.3). Диск рассматривается в этой операции как виртуальное устройство, следовательно, слой драйверов файловых систем в выполнении операции не участвует.
Пусть в некоторый момент времени выполнения в пользовательской фазе процесс А запрашивает с помощью соответствующего системного вызова чтение некоторого количества блоков диска, начиная с блока определенного номера. Процесс А при этом переходит в состояние ожидания завершения запрошенной операции, а планировщик/диспетчер Sh активизирует ожидавший выполнения процесс В.
Рис. 8.3. Работа аппаратного драйвера ОС семейства Windows NT
При выполнении системного вызова управление с помощью менеджера ввода-вывода передается стартовой функции драйвера диска DD, которая проверяет, открыт ли виртуальный файл диска и готов ли контроллер диска к выполнению операции обмена данными. После возврата управления от стартовой процедуры менеджер вызывает функцию диспетчеризации драйвера, которой передается пакет запроса ввода-вывода IRP, содержащий параметры операции — начальный адрес и количество блоков диска. В результате функция диспетчеризации драйвера вызывает внутреннюю функцию чтения данных с диска, которая передает контроллеру диска запрос на чтение первой порции запрошенных данных. На рисунке выполнение всех перечисленных функций показано как один этап работы драйвера DD. Тот факт, что драйвер DD выполняет работу для процесса А, отмечен на рисунке нижним индексом, то есть как DDA.
После завершения чтения порции данных контроллер генерирует аппаратный запрос прерывания, который вызывает процедуру обработки прерываний драйвера диска ISR, имеющую высокий уровень IRQL. После короткого периода выполнения самых необходимых действий с регистрами контроллера (этот период для упрощения рисунка не показан) эта процедура делает запрос на выполнение менее срочной DPC-процедуры драйвера, которая должна выполнить передачу имеющейся у контроллера порции данных в системную область. Запрос на выполнение DPC-процедуры драйвера DDA некоторое время стоит в очереди уровня DPC, так как в это время в процессоре выполняются более приоритетные ISR-процедуры DSB (драйвера стриммера для процесса В) и DPF (драйвера принтера для процесса F). После завершения этих процедур начинается выполнение DPC-процедуры драйвера DDA, при этом текущим для ОС процессом является процесс В, сменивший процесс А и прерванный на время ISR-процедурами. Однако на выполнение DPC-процедуры драйвера диска это обстоятельство не оказывает никакого влияния, так как данные перемещаются в системную область, общую для всех процессов.
Помимо перемещения данных DPC-процедура драйвера выдает контроллеру диска указание о чтении второй и последней для операции порции данных (если контроллер использует режим прямого доступа к памяти и самостоятельно перемещает данные из своего буфера в системный буфер, то запуск нового действия является единственной обязанностью DPC-процедуры). Контроллер выполняет чтение и выдает новый запрос прерывания, который снова вызывает процедуру обработки прерываний драйвера диска. Данная процедура ставит в IRQL-очереди две процедуры: DPC-процедуру, которая, как и в предыдущем цикле чтения, должна переписать данные из буфера контроллера в системный буфер, и АРС-процедуру, которая должна переписать все полученные данные из системного буфера в заданную пользовательскую область памяти процесса А.
DPC-процедура вызывается раньше, так как имеет более высокий приоритет в очереди диспетчера прерываний. АРС-процедура ждет дольше, так как она имеет более низкий приоритет и, кроме того, обязана ждать до тех пор, пока текущим процессом не станет Процесс А. DPC-процедура после выполнения фиксирует в операционной системе событие — завершение операции ввода-вывода. При наступлении события вызывается планировщик потоков, который переводит процесс А в состояние готовности (но не ставит его на выполнение, так как текущий процесс С еще не исчерпал своего кванта времени). И только после того как планировщик снимает процесс С с выполнения и делает текущим процесс А, вызывается АРС-процедура, которая вытесняет пользовательский код процесса А, имеющий низший приоритет IRQL. АРС-процедура переписывает считанные с диска данные из системного буфера в область данных процесса А. Для доступа к системному буферу АРС-процедура должна иметь нужный уровень привилегий. После завершения работы АРС-процедуры управление возвращается пользовательскому коду процесса А, который обрабатывает запрошенные у диска данные.