Главная страница
Навигация по странице:

  • Ключевые слова

  • Подсистема ввода-вывода

  • Принцип управления устройствами

  • Структуры данных для ввода-вывода

  • Пример ввода-вывода

  • Контрольные вопросы

    		•

    лекция. Лекция 14. Лекция 1415 Управление устройствами. Подсистема вводавывода. Принцип управления устройствами. Структуры данных для вводавывода. Пример вводавывода


    Скачать 74.06 Kb.
    НазваниеЛекция 1415 Управление устройствами. Подсистема вводавывода. Принцип управления устройствами. Структуры данных для вводавывода. Пример вводавывода
    Анкорлекция
    Дата05.12.2022
    Размер74.06 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаЛекция 14.docx
    ТипЛекция
    #828548

    Лекция 14-15

    Управление устройствами. Подсистема ввода-вывода. Принцип управления устройствами. Структуры данных для ввода-вывода. Пример ввода-вывода
    Аннотация: Подсистема ввода-вывода. Принцип управления устройствами. Структуры данных для ввода-вывода. Пример ввода-вывода.

    Ключевые слова: device, DVD, disk, операционная система, Windows, архитектура, операции, представление, файл, открытие файла, закрытие файла, объект, информация, драйвер, указатель, список, ссылка, приложение, очередь, IRP, I/O, packet, ввод/вывод, запись, вывод, дескриптор, функция, function, поле, kernel, NTFS

    Подсистема ввода-вывода

    В компьютерных системах кроме процессора и оперативной памяти присутствует множество разнообразных устройств (device) – жесткие диски, приводы оптических дисков (CD, DVD, Blu-Ray Disk), устройства флеш-памяти, принтеры, сканеры, звуковые и видеокарты, модемы, сетевые карты и т. п.

    Операционная система должна обеспечивать управление всеми этими устройствами, т. е. предоставлять способы обмена информацией между приложениями и устройствами.

    Управление устройствами в Windows осуществляется подсистемой ввода вывода, включающей несколько компонентов (см. рис.4.1 в лекции 4 "Архитектура Windows"):

    • диспетчер ввода-вывода (I/O manager – Input/Output manager) – основной компонент; обеспечивает интерфейс между приложениями и устройствами;

    • диспетчер PnP (Plug and Play manager) – компонент, реализующий принцип Plug and Play ("подключи и работай") – автоматическое распознавание и конфигурацию подключаемых к системе устройств;

    • диспетчер электропитания (power manager) – обеспечивает поддержку различных режимов энергопотребления системы и устройств;

    • драйверы устройств – программы, реализующие операции ввода-вывода для конкретного устройства; драйверы больше других компонентов системы "знают" о специфике своего устройства;

    • HAL (Hardware Abstraction Layer) – уровень абстрагирования от аппаратных средств; скрывает от других компонентов особенности реализации конкретных процессоров, системных плат и контроллеров прерываний;

    • реестр (registry) – используется как база данных для параметров устройств и драйверов.

    Далее будут рассмотрены общая схема ввода-вывода, функции и структуры данных диспетчера ввода-вывода, представленные в WRK, а также пример выполнения операции чтения.

    Принцип управления устройствами

    Рассмотрим схематично принцип управления внешними устройствами, а затем перейдем к изучению соответствующих структур и функций WRK.

    Для пользовательских приложений операционная система представляет устройства в виде файлов. Такое представление позволяет единообразно работать с разными устройствами, используя одинаковые функции, не задумываясь о деталях реализации доступа к устройствам.

    Файл (file) – совокупность данных, имеющих имя и допускающих операции чтения-записи. Типичная последовательность работы с файлом: открытие файла, выполнение команд чтения-записи, закрытие файла.

    При открытии файла создается файловый объект типа FILE_OBJECT, который связан с объектом, представляющим конкретное устройство (DEVICE_OBJECT). В объекте-устройстве содержится информация о драйвере, который управляет этим устройством. Драйвер в системе описывается объектом типа DRIVER_OBJECT. Объекты DRIVER_OBJECT создаются при загрузке в систему нового драйвера. Затем объект DRIVER_OBJECT может создать несколько объектов DEVICE_OBJECT – по количеству управляемых драйвером устройств (рис.15.1).


    Рис. 15.1. Объекты для управления вводом-выводом
    Как видно из рис.15.1, в объекте DRIVER_OBJECT содержится указательна списокобъектов-устройств, а в каждом из этих объектов хранится ссылкана управляющий драйвер. Таким образом, имея информацию об объекте DRIVER_OBJECT, можно найти все устройства, которыми он управляет и, наоборот, по объекту DEVICE_OBJECT легко определяется драйверустройства.

    Приложение, которому необходимо произвести некоторую операцию с устройством (файлом), вызывает соответствующую WinAPI функцию (CreateFile, ReadFile, WriteFile и др.), которая, в свою очередь, обращается к функции диспетчера ввода-вывода.

    Операция, которая запрашивается приложением, представляется в системе объектом типа IRP (I/O Request Packet – пакет запроса на ввод/вывод). В этом объекте хранится информация о типе операции ввода/вывода (создание, чтение, запись и т. п.), а также необходимые параметры для данной операции. Пакет IRP передается диспетчером ввода-вывода в очередь IRP потока, который запросил операцию ввода-вывода, после чего вызывается соответствующий драйвер, непосредственно выполняющий запрошенную операцию.

    Структуры данных для ввода-вывода

    Драйвер в системе описывается объектом типа DRIVER_OBJECT (файл base\ntos\inc\io.h, строка 1603), имеющим следующие основные поля:

    • Type – поле, определяющее тип структуры подсистемы ввода-вывода. Значения этого поля могут быть следующими – IO_TYPE_DRIVER, IO_TYPE_FILE, IO_TYPE_DEVICE, IO_TYPE_IRP и др. (см. файл base\ntos\inc\io.h, строка 25);

    • Size – размер объекта в байтах;

    • DeviceObject – ссылка на первый объект DEVICE_OBJECT в списке устройств, управляемых данным драйвером (см. рис.15.1). Следующие устройства в списке можно определять по полю NextDevice объекта DEVICE_OBJECT;

    • Flags – флаги, определяющие тип драйвера (см. файл base\ntos\inc\io.h, строка 1530);

    • DriverName – имя драйвера в системе;

    • HardwareDatabase – путь в реестре к информации о драйвере;

    • DriverStart, DriverSize, DriverSection – информация о расположении драйвера в памяти;

    • DriverInit – адрес процедуры DriverEntry (точка входа в драйвер), отвечающей за инициализацию драйвера;

    • DriverUnload – адрес процедуры выгрузки драйвера;

    • MajorFunction – массив адресов процедур, каждая из которых отвечает за определенную операцию с устройством. Максимальное количество таких процедур равно константе IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION+ 1 = 2 8 (файл base\ntos\inc\io.h, строка 80), которая определяет также количество кодов IRP (см. далее).

    Устройства представлены объектами типа DEVICE_OBJECT, который включает следующие главные поля (файл base\ntos\inc\io.h, строка 1397):

    • Type, Size – совпадают по назначению с полями типа DRIVER_OBJECT;

    • ReferenceCount – счетчик количества открытых дескрипторов для устройства. Позволяет отслеживать, используется кем-либо устройство или нет;

    • DriverObject – ссылка на драйвер, который управляет устройством;

    • NextDevice – указатель на следующее устройство в списке устройств для данного драйвера;

    • Flags, Characteristics – поля, уточняющие характеристики устройства;

    • DeviceType – тип устройства; возможные типы перечислены в файле public\sdk\inc\devioctl.h (строка 26);

    • SecurityDescriptor – дескриптор безопасности, сопоставленный с устройством (см. лекцию 9 "Безопасность в Windows").

    Пакеты запроса на ввод-вывод описываются типом IRP (I/O Request Packet), состоящим из двух частей – заголовка фиксированной длины (тело IRP) и одного или нескольких блоков стека. В заголовке описывается информация, общая для запроса. Каждый блок стека содержит данные об одной операции ввода-вывода.

    Заголовок включает следующие основные поля:

    • Type, Size – поля, по назначению аналогичные соответствующим полям типов DRIVER_OBJECT и DEVICE_OBJECT;

    • IoStatus – статус операции при завершении;

    • RequestorMode – режим, в котором работает поток, инициировавший операцию ввода-вывода, – пользовательский или режим ядра;

    • StackCount – количество блоков стека;

    • Tail.Overlay.Thread – указатель на структуру ETHREAD потока, запросившего операцию ввода-вывода;

    • Tail.Overlay.CurrentStackLocation – указатель на блок стека (IRP Stack Location), который описывается структурой IO_STACK_LOCATION.

    Структура блока стека IO_STACK_LOCATION описана в файле base\ntos\inc\io.h, строка 2303) и имеет следующие главные поля:

    • MajorFunction – номер основной функции, определяющий запрошенную операцию ввода-вывода и совпадающий с номером функции драйвера в массиве MajorFunction (структура DRIVER_OBJECT, см. выше), которую нужно вызвать для выполнения запрошенной операции. Как уже отмечалось, всего кодов 28 (IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION + 1), они описаны в файле base\ntos\inc\io.h (строки 51–79);

    • DeviceObject – указатель на структуру DEVICE_OBJECT, определяющую устройство для данной операции ввода-вывода;

    • FileObject – указатель на структуру FILE_OBJECT (файл base\ntos\inc\io.h, строка 1763), которая ассоциирована со структурой DEVICE_OBJECT.

    В следующем параграфе разобран пример операции чтения с использованием рассмотренных выше структур данных.

    Пример ввода-вывода

    Для ввода-вывода используются следующие основные функции:

    • создание/открытие файла – IoCreateFile (файл base\ntos\io\iomgr\iosubs.c, строка 4795);

    • чтение из файла – NtReadFile (файл base\ntos\io\iomgr\read.c, строка 90);

    • запись в файл – NtWriteFile (файл base\ntos\io\iomgr\write.c, строка 87);

    • закрытие файла – IopDeleteFile файл base\ntos\io\iomgr\objsup.c, строка 465).

    Рассмотрим пример чтения с устройства, используя изученные структуры данных и функцию NtReadFile (рис.15.2).




    Рис. 15.2. Последовательность операций и структуры данных при чтении с устройства

    Предположим, некоторому приложению требуется прочитать данные с устройства, например, из файла на жестком диске. Предварительно приложение должно получить дескриптор объекта FILE_OBJECT, например, при помощи WinAPI функции CreateFile.

    Для чтения из файла приложение вызывает WinAPI-функцию ReadFile, которая обращается к функции диспетчера ввода-вывода NtReadFile и передает ей дескриптор объекта FILE_OBJECT.

    Функция NtReadFile определена в файле base\ntos\io\iomgr\read.c (строка 90) и выполняет две основные задачи – создает объект IRP (строка 517) и вызывает функцию IopSynchronousServiceTail (строка 725). При создании объекта IRP в блок стека заносится номер основной функции (Major Function), в случае операции чтения этот код равен константе IRP_MJ_READ (строка 558) и указывает на функцию чтения в массиве MajorFunction структуры DRIVER_OBJECT.

    Функция IopSynchronousServiceTail определена в файле base\ntos\io\iomgr\internal.c (строка 7458). Эта функция помещает переданный ей объект IRP в очередь потока (функция IopQueueThreadIrp, строка 7468). Указатель на очередь IRP потока хранится в поле IrpList структуры ETHREAD (файл base\ntos\inc\ps.h, строка 623). Кроме этого, функция IopQueueThreadIrp вызывает соответствующий драйвер (функция IoCallDriver, строка 7494).

    Драйвер выполняет определенную кодом IRP функцию и возвращает статус операции.

    Резюме

    В лекции представлены компоненты подсистемы ввода вывода в Windows, рассмотрен принцип управления устройствами, а также реализация этого принципа на основе структур данных и функций Windows Research Kernel. Разобран пример ввода вывода для операции чтения из файла.

    В следующей лекции подробно рассматривается структура основной файловой системы Windows – NTFS.

    Контрольные вопросы

    1. Перечислите компоненты подсистемы ввода вывода в Windows.

    2. Дайте определение понятия "файл".

    3. Опишите основные структуры данных, участвующие в процессе ввода вывода.

    4. Расскажите о взаимодействии объектов FILE_OBJECT, DEVICE_OBJECT, DRIVER_OBJECT, IRP в процессе ввода вывода.

    5. Какую роль играет массив MajorFunction в структуре DRIVER_OBJECT?

    6. Приведите пример ввода вывода с описанием участвующих в нем структур данных и функций Windows Research Kernel.

    написать администратору сайта