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--- pua:acesso_a_dispositivos [2008/09/21 12:15] – maziero
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+====== Acesso a dispositivos ======
+===== Dispositivos =====
+Um computador não serve para muita coisa se não puder interagir com o mundo que o cerca, recebendo dados externos, armazenando informações e produzindo resultados para seus usuários. Toda essa interação é baseada em dispositivos de entrada/saída. Teclado, mouse, interface de rede, monitor, portas USB são exemplos de dispositivos típicos que um núcleo de sistema deve acessar e gerenciar para os processos.
+===== Tipos de dispositivos =====
+Apesar da grande diversidade de dispositivos físicos existentes, o UNIX classifica a maioria dos dispositivos com os quais interage em três grandes grupos, cuja estrutura acaba se refletindo na organização do núcleo e nos drivers de dispositivos:
+  * **Dispositivos de caracteres** (//character devices//): um dispositivo de caracteres pode ser acessado com um fluxo (//stream//) seqüencial de bytes, sendo visto da mesma forma que um arquivo de acesso seqüencial. Uma característica importante desse tipo de dispositivo é que, uma vez lido um byte, ele não pode ser "devolvido" ao dispositivo na mesma posição. São exemplos típicos desse tipo de dispositivo a console, os terminais e as portas seriais e paralelas. Um //driver// para dispositivos de caracteres  implementa usualmente as chamadas de sistema ''open'', ''close'', ''read'' e ''write''. Para alguns dispositivos a chamada ''lseek'' também está disponível.
+  * **Dispositivos de blocos** (//block devices//): um dispositivo de bloco permite acesso a informações em blocos de tamanho fixo (usualmente 512 ou 1024 bytes), permitindo o acesso a um ou mais blocos em cada operação. Como o acesso é aleatório, os dados podem fluir em ambas as direções a qualquer instante, Por permitir acesso aleatório e a transferência de dados em blocos, um dispositivo de blocos geralmente é adequado para a construção de um sistema de arquivos. Discos rígidos, disquetes e CDs são exemplos típicos de dispositivos de blocos. As mesmas chamadas de sistema acima citadas são oferecidas para dispositivos de blocos.
+  * **Interfaces de rede** (//network interfaces//): uma interface de rede é capaz de enviar e receber informações de outros computadores. A informação é transportada em pacotes de dados de tamanho variável. Este modelo não se encaixa com o anteriores, por isso esses dispositivos são geralmente tratados à parte pelo sistema. Ao invés de ler e escrever blocos ou caracteres, as chamadas de sistema relacionadas às interfaces de rede estão relacionadas ao envio e recepção de pacotes de rede.
+Além das classes tradicionais acima, uma nova classe de dispositivos vem ganhando espaço nos sistemas de computação, embora ainda seja vista como um caso especial de dispositivo de blocos:
+  * **Dispositivos de fluxo** (//stream devices//): um dispositivo de fluxo  recebe ou produz dados em uma taxa regular e constante. Esta classe de dispositivos mapeia bem o comportamento de placas de som e de vídeo. O sistema operacional precisa gerenciar buffers para alimentar ou retirar dados desse tipo de dispositivo.
+===== Drivers =====
+Grande parte das chamadas de sistema estão relacionadas a dispositivos físicos. Cada um desses dispositivos exige uma programação específica para ser acessado e controlado. O núcleo do sistema operacional precisa conter código para acessar e controlar todos os dispositivos com os quais possa se relacionar diretamente. O código que efetua o acesso e controle de um dispositivo físico, interagindo diretamente com ele, é chamado de **driver de dispositivo** (//device driver//).
+O //driver// de dispositivo tem vários objetivos:
+  * Interagir com o dispositivo, permitindo enviar e/ou receber dados do mesmo
+  * Controlar as funcionalidades e possibilidades de configuração do dispositivo
+  * Integrar a interface do dispositivo ao restante do núcleo, através de uma interface abstrata.
+Na medida do possível, a interface abstrata de dispositivo provida pelo //driver// deve ser homogênea com as interfaces abstratas de outros dispositivos com finalidades similares. Isso permite agrupar os dispositivos em uma mesma "família", oferecendo uma única interface para o usuário. Essa é a abordagem seguida pelos diversos tipos de discos, por exemplo.
+É importante observar que o driver deve oferecer **mecanismos** de acesso aos dispositivos, mas não devem impor **políticas** de acesso aos mesmos. O //driver// deve proporcionar acesso aos dispositivo sem restringir suas funcionalidades. Toda a definição de política de acesso deve ser deixada a cargo de camadas mais altas do sistema operacional.
+Os //drivers// são parte integrante do núcleo do sistema operacional. Eles podem estar **compilados estaticamente** no núcleo, sendo carregados juntamente com este na inicialização da máquina, ou podem ser carregados posteriormente, sob demanda, na forma de **módulos ligados dinamicamente** ao núcleo. O Linux suporta ambos os modelos de drivers.
+Muitas vezes os //drivers// são complementados por **bibliotecas e ferramentas em modo usuário** (fora do núcleo) para facilitar a configuração do dispositivo e seu uso pelos programadores. Por exemplo, o programa ''tunelp'' permite ajustar parâmetros da porta paralela, senquanto o comando ''setserial'' permite configurar as portas seriais.
+===== Arquivos de dispositivos e o diretório /dev =====
+No UNIX a maioria das abstrações do núcleo é oferecida aos processos no espaço de usuário sob a forma de arquivos ou de descritores de arquivos (exemplos clássicos dessa filosofia são os //sockets// e //pipes//). Da mesma forma, um dispositivo físico é mapeado para os processos sob a forma de um ou mais arquivos, que podem ser acessados em leitura e/ou escrita. Esses arquivos não correspondem a dados em disco, mas a portas de acesso aos dispositivos, controladas por seus respectivos drivers.
+Assim, as entradas de diretório ''/dev/audio'' e ''/dev/audioctl'' correspondem à placa de som do computador. Um processo desejando fazer uso da placa de som deverá abrir e ler/escrever nesses "arquivos" (que tratam respectivamente dos dados e do controle da placa de som). O driver da placa de som será o responsável por implementar as chamadas ''open''/''read''/''write''/''close'' sobre esses arquivos, mapeando essas chamadas em operações sobre os dispositivos físicos.
+Em um sistema UNIX (e portanto no Linux), os arquivos de dispositivos estão concentrados no diretório ''/dev''. Exemplos de alguns arquivos ali encontrados:
+^ arquivo ^ dispositivo ^
+| ''/dev/hda'' | hard disk A |
+| ''/dev/hda3'' | hard disk A, partition 3 |
+| ''/dev/audio'' | sound card (data, channel 0) |
+| ''/dev/audioctl'' | sound card (control) |
+| ''/dev/cua1'' | serial port 2 (COM2) |
+| ''/dev/fb0'' | first frame buffer |
+| ''/dev/fd0h1440'' | floppy disk 0, high density, 1440 KBytes |
+| ''/dev/ippp3'' | 4th syncPPP device |
+| ''/dev/nst1'' | 2nd SCSI tape |
+| ''/dev/parport1'' | 2nd parallel port |
+| ''/dev/ptye0'' | pseudo-terminal |
+| ''/dev/sda2'' | SCSI disk A, partition 2 |
+| ''/dev/tty1'' | virtual console 1 |
+No Linux, a [[http://www.lanana.org/|Linux Assigned Names And Numbers Authority]] mantém uma relação de dispositivos mapeados no diretório ''/dev'' e seus respectivos nomes e //major/minor numbers//.
+Na listagem de diretório é possível observar o tipo de cada dispositivo: orientado a blocos (b) ou a caracteres (c):
+<code>
+crw-------    1 root      14,   4 Jan 30  2003 /dev/audio
+crw-rw----    1 uucp       5,  64 Jan 30  2003 /dev/cua0
+brw-rw----    1 6          3,   1 Jan 30  2003 /dev/hda1
+brw-rw----    1 6          8,   2 Jan 30  2003 /dev/sda2
+</code>
+Alguns arquivos presentes no diretório ''/dev'' não correspondem a dispositivos físicos externos, mas a dispositivos lógicos providos pelo núcleo para oferecer serviços específicos às aplicações. Alguns exemplos de dispositivos desse gênero são:
+^ Nome ^ Dispositivo ^
+| ''/dev/mem'' | acesso à memória física |
+| ''/dev/kmem'' | acesso à memória do núcleo |
+| ''/dev/null'' | dispositivo nulo: gera ''EOF'' (//end-of/file//) ao ler e descarta dados ao gravar (útil para descartar saídas de comandos ou scripts) |
+| ''/dev/port'' | acesso às portas de I/O |
+| ''/dev/zero'' | Fonte de zeros: sempre retorna char (0) ao ler o arquivo |
+| ''/dev/full'' | Sempre retorna o erro ENOSPC ao escrever |
+| ''/dev/random'' | gerador de números aleatórios |
+===== Major & Minor numbers =====
+Os dispositivos são identificados no diretório ''/dev'' por seu nome, seu tipo (//block/character//) e por dois números associados a cada arquivo, denominados //major & minor numbers//.
+Os //major numbers// são associados ao //driver// responsável pelo dispositivo, que geralmente controla um ou mais dispositivos assemelhados. Por exemplo, os dispositivos ''/dev/null'' e ''/dev/zero'' têm major number 1, terminais seriais e consoles têm //major number// 4, discos IDE na controladora primária têm //major number// 3, e assim por diante. O núcleo usa o //major number// para escolher o //driver// para o qual deve enviar um pedido de acesso ao dispositivo.
+O //minor number// é usado somente pelo //driver//, para discernir qual dos dispositivos que controla está sendo referenciado por um determinado pedido. A listagem a seguir ilustra os //major & minor numbers// dos discos ''hda'' e ''hdb'', ligados à controladora IDE primária, e algumas de suas respectivas partições:
+<code>
+brw-rw----    1 6          3,   0 Jan 30  2003 /dev/hda
+brw-rw----    1 6          3,   1 Jan 30  2003 /dev/hda1
+brw-rw----    1 6          3,   2 Jan 30  2003 /dev/hda2
+brw-rw----    1 6          3,   3 Jan 30  2003 /dev/hda3
+...
+brw-rw----    1 6          3,  64 Jan 30  2003 /dev/hdb
+brw-rw----    1 6          3,  65 Jan 30  2003 /dev/hdb1
+brw-rw----    1 6          3,  66 Jan 30  2003 /dev/hdb2
+...
+</code>
+Nos núcleos Linux até a versão 2.4, os //major & minor// numbers variam entre 0 e 255. A atribuição de //major numbers// a novos dispositivos e seus respectivos drivers é gerenciada pela LANANA e está indicada em sua relação de dispositivos (uma relação simplificada está presente em ''/usr/src/linux/include/linux/major.h''). Os //major numbers// entre 240 e 254 são reservados para uso local e podem ser usados em projetos específicos. Os //minor numbers// podem ser definidos pelos //drivers// sem restrições.
+Geralmente os arquivos presentes em ''/dev'' são criados por default durante a instalação do sistema. Os arquivos default podem ser criados/restaurados através do utilitários ''MAKEDEV'' e ''MAKEDEV.local'' presentes nesse diretório. Também é possível criar arquivos isoladamente, através do utilitário ''mknod''. Por exemplo, o comando
+<code>
+$ mknod /dev/ttyS0 c 4 64
+</code>
+irá criar um arquivo para um dispositivo orientado a caracteres chamado ttyS0, com //major number// 4 e //minor number// 64 (esse dispositivo corresponde à porta serial COM1). Após a criação do arquivo, seu usuário, grupo e permissões devem ser ajustados de acordo com a política de acesso ao dispositivo.
+Importante: a existência de um arquivo de dispositivo não depende nem implica na existência do dispositivo físico correspondente, nem de seu //driver//. O exemplo abaixo ilustra isso:
+<code>
+$ mknod xxx0 c 244 3
+$ ll xx*
+crw-r--r--    1 root     root     244,   3 Out 18 23:49 xxx0
+$ cat xxx0
+cat: xxx0: Dispositivo inexistente
+</code>
+Alguns mecanismos foram propostos para eliminar a necessidade de criar manualmente arquivos para representar dispositivos. Uma das iniciativas mais importantes foi o //device filesystem// (//devfs//), no qual os drivers podem registrar os pontos de acesso aos dispositivos sob sua responsabilidade. Dessa forma, a criação e remoção dos arquivos em ''/dev'' acontece de forma automática,  quando da ativação ou remoção do //driver//. Além disso, o diretório ''/dev'' somente conterá arquivos correspondentes a dispositivos existentes e ativos no sistema local.
+Com o advento do núcleo Linux 2.6, o sistema //devfs// foi considerado obsoleto, sendo substituido pelo sistema //udev//. Este último sistema é bastante similar ao //devfs// em seu conceito, mas trabalha inteiramente fora do núcleo, no espaço de usuário, sendo portanto menos intrusivo.
+===== Controle de dispositivos =====
+Além de permitir a entrada e/ou saída de dados sobre os dispositivos, um //driver// deve ainda exercer funções de gerência sobre o mesmo, permitindo que opções de controle e configuração sejam aplicadas por processos de usuário autorizados a configurar ou controlar o dispositivo. Alguns exemplo desse tipo de controle são:
+  * mudar o fonte usado em um terminal
+  * ejetar um CD
+  * rebobinar uma fita magnética
+  * colocar uma interface de rede em modo promíscuo
+As principais formas de configurar e/ou controlar um dispositivo no mundo UNIX são:
+  * através de comandos identificados por seqüências de caracteres ou bytes reservados no fluxo de dados escrito no dispositivo. O //driver// reconhece essas seqüências e aplica os controles correspondentes sobre os dispositivos. Essa técnica é utilizada sobretudo no controle de terminais, onde as conhecidas "seqüências de escape" permitem modificar configurações e controlar a posição do cursor, por exemplo.
+  * através da chamada de sistema ''ioctl'' (//IO Control//), que permite enviar comandos específicos para o //driver//.
+A chamada ''ioctl'' está descrita a seguir:
+<code c>
+#include <sys/ioctl.h>
+int ioctl (int filedes, int command, ...)
+</code>
+Essa chamada aplica o comando ''command'' sobre o dispositivo indicado pelo descritor de arquivo aberto ''filedes''. O terceiro parâmetro é opcional e depende do comando aplicado, podendo ser um número ou ponteiro para uma estrutura (específica para cada comando). A chamada retorna -1 em caso de falha.
+Os comandos são também chamados //IOCTLs// e são definidos por constantes inteiras. A grande maioria dos //IOCTLs// é específica para cada dispositivo e sua definição também depende do sistema operacional e variante considerados. A melhor fonte de informação a respeito dos comandos disponíveis sobre um determinado dispositivo são as páginas de manual ou documentação do dispositivo e seu respectivo //driver//. Um exemplo é a página de manual dos dispositivos ''/dev/fd*'' (''man 4 fd''). Outra boa fonte de informação sobre os comandos possíveis são os arquivos-fonte do núcleo do sistema. Por exemplo, o arquivo ''/usr/src/include/linux/cdrom.h'' traz as //IOCTLs// definidas para leitores de CD. Ao lê-lo, pode-se deduzir o comando necessário para ejetar um CD que está inserido em ''/dev/hdc'' (disco mestre da controladora IDE secundária):
+<code c>
+...
+cd = open ("/dev/hdc", O_RDWR) ;
+ioctl (cd, CDROMEJECT, 0) ;
+...
+</code>
+===== O sistema /proc =====
+Além dos dispositivos externos, outro foco de atenção do programador de sistema é o núcleo do sistema operacional. O diretório virtual ''/proc'' contém uma hierarquia de arquivos e diretórios que representam a situação atual do sistema de forma estruturada e detalhada. Alguns arquivos também aceitam operações de escrita por usuários autorizados, permitindo mudar características e configurações do núcleo sem o auxílio de utilitários especiais (muitos dos utilitários como ''ps'', ''top'', ''free'' e ''uptime'' retiram suas informações de arquivos presentes em ''/proc'').
+Como os arquivos desse diretório são virtuais (não estão mapeados em disco), seu tamanho normalmente é indicado como zero (0). Apesar disso, é possível consultá-los usando os utilitários padrão ''cat''/''more''. Por exemplo, pode-se conhecer as portas de IO ativas no sistema consultado o arquivo ''/proc/ioports'' (observe que a listagem é hierarquizada):
+<code>
+espec:/> cat /proc/ioports
+-001f : dma1
+-003f : pic1
+-005f : timer
+-006f : keyboard
+-007f : rtc
+-008f : dma page reg
+a0-00bf : pic2
+c0-00df : dma2
+f0-00ff : fpu
+f0-01f7 : ide0
+c0-03df : vga+
+f6-03f6 : ide0
+f8-03ff : serial(auto)
+b0-08bf : ServerWorks CSB5 IDE Controller
+b0-08b7 : ide0
+b8-08bf : ide1
+c0-08c3 : ServerWorks CSB5 IDE Controller
+cf8-0cff : PCI conf1
+cce0-ccff : Intel Corp. 82544EI Gigabit Ethernet Controller (Copper)
+   cce0-ccff : e1000
+d800-d8ff : Adaptec AIC-7899P U160/m (#2)
+dc00-dcff : Adaptec AIC-7899P U160/m
+e800-e8ff : ATI Technologies Inc Rage XL
+ecc0-ecff : Intel Corp. 82557/8/9 [Ethernet Pro 100]
+   ecc0-ecff : e100
+</code>
+A grande maioria dos arquivos em ''/proc'' é acessível somente em leitura, mas é possível alterar o conteúdo de alguns deles através de redireções ("''echo valor > arquivo''"). Por exemplo:
+<code>
+$ echo www.teste.com > /proc/sys/kernel/hostname
+</code>
+esse comando permite alterar dinamicamente o //hostname// do sistema. Em outro exemplo:
+<code>
+$ echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
+</code>
+esse comando ativa a funcionalidade de encaminhamento de pacotes (//packet forwarding//) da pilha TCP/IP do sistema. Alguns dos arquivos mais relevantes encontrados em ''/proc'' estão listados a seguir:
+^arquivo ^ conteúdo ^
+| ''/proc/procinfo'' | Descrição do(s) processador(es) do computador |
+| ''/proc/devices'' | Lista dos drivers de dispositivos configurados (//block// & //character//) |
+| ''/proc/dma'' | Canais DMA em uso |
+| ''/proc/filesystems'' | Sistemas de arquivos suportados pelo núcleo |
+| ''/proc/interrupts'' | Mostra interrupções em uso e quantas vezes cada uma ocorreu |
+| ''/proc/ioports'' | Portas de E/S em uso no momento |
+| ''/proc/ksyms'' | Tabela de símbolos do núcleo |
+| ''/proc/meminfo'' | Informações sobre o uso da memória |
+| ''/proc/modules'' | Módulos carregados (equivale ao comando ''lsmod'') |
+| ''/proc/net/'' | Muitas informações sobre redes, protocolos, interfaces, etc. |
+A maior parte do diretório ''/proc'' é ocupada por diretórios cujos nomes são números, que correspondem aos PIDs dos processos existentes no sistema. Em cada diretório de processo, as seguintes informações estão presentes:
+^ arquivo ^ conteúdo ^
+| ''/proc/''//pid//''/cmdline'' | Linha de comando usada para lançar o processo |
+| ''/proc/''//pid//''/cpu'' | CPU atual e última CPU usada |
+| ''/proc/''//pid//''/cwd'' | Link para o diretório de trabalho |
+| ''/proc/''//pid//''/environ'' | Valores das variáveis de ambiente |
+| ''/proc/''//pid//''/exe'' | Link para o executável |
+| ''/proc/''//pid//''/fd/'' | Diretório contendo os descritores de arquivos abertos |
+| ''/proc/''//pid//''/maps'' | Mapas de memória para o executável e bibliotecas |
+| ''/proc/''//pid//''/mem'' | Memória ocupada pelo processo |
+| ''/proc/''//pid//''/root'' | Link ao diretório root (/) do processo |
+| ''/proc/''//pid//''/stat'' | Status do processo |
+| ''/proc/''//pid//''/statm'' | Status da memória do processo |
+| ''/proc/''//pid//''/status'' | Status do processo em formato texto, legível por humanos |
+===== Atividades =====
+  * Com base nas informações disponíveis no sistema ''/proc'', construa um programa que gere a mesma saída que o utilitário ''uptime''.
+  * Qual seria a invocação de chamada necessária para rebobinar a fita magnética  0 ?