Глава 3: Устройства

linux использует тот же дизайн для файлов устройств, что и другие системы Unix: помещает спеицальные файлы устрйоств в /dev. Такие файлы называются узлами устройств. Хотя не все возможности устройств доступны через файловый ввод-вывод.

Первый символ в выводе ls -l /dev - символ типа файла. Если это символы b, c, p или s, то файл является устройством. Эти буквы обозначают block (блочное устройство), character (символьное устройство), pipe (конвейер) и socket (сокет) соответственно.

• Блочное устройство. Программы получают доступ к данным с блочного устройства фиксированными частями. Устройство sda1 в приведенном ранее примере - это дисковое устройство, тип блочного устройства. Диски можно легко разбить на блоки данных. Поскольку общий размер блочного устройства фиксирован и его легко индексировать, процессы имеют быстрый произвольный доступ к любому блоку в устройстве с помощью ядра.
• Символьное устройство. Символьные устройства работают с потоками данных. Вы можете считывать символы с символьных устройств или записывать их на символьные устройства, как было показано ранее на устройстве /dev/null. Символьные устройства не имеют размера: когда вы читаете из одного из них или записываете в него, ядро обычно выполняет на нем операцию чтения или записи. Принтеры, непосредственно подключенные к компьютеру, представляются символьными устройствами. Важно отметить, что во время взаимодействия с символьным устройством ядро не может создавать резервные копии и повторно выполнять проверку после передачи данных устройству или процессу.
• Конвейер. Именованный конвейер по структуре такой же, как символьные устройства, но с другим процессом на другом конце потока ввода-вывода вместо драйвера ядра.
• Сокет. Сокеты - это специальные интерфейсы, которые используются для межпроцессной связи. Они часто находятся за пределами каталога /dev. Файлы сокетов представляют собой доменные сокеты Unix (подробнее о них вы узнаете в главе 10).

Традиционный каталог Unix /dev удобен для того, чтобы пользовательские процессы ссылались на устройства, поддерживаемые ядром, и взаимодействовали с ними, но это очень упрощенная схема. Имя устройства в /dev немногое говорит об устройстве. Другая проблема заключается в том, что ядро назначает устройства в том порядке, в котором они найдены, поэтому между перезагрузками устройство может получить другое имя.

Чтобы обеспечить единообразное представление подключенных устройств на основе их фактических аппаратных атрибутов, ядро Linux предлагает интерфейс sysfs для обозначения файлов и каталогов. Базовый путь для устройств - /sys/devices.

Например, жесткий диск SATA в /dev/sda может иметь следующий путь в интерфейсе sysfs: /sys/devices/pci0000:00/0000:00:17.0/ata3/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda

Файл /dev позволяет пользовательским процессам применять устройство, в то время как путь /sys/devices задействуется для просмотра информации и управления устройством.

В каталоге /sys есть несколько ярлыков. Например, /sys/block должен содержать все блочные устройства, доступные в системе. Однако это всего лишь символические ссылки: лучше запустить команду ls -l /sys/block, чтобы выявить истинные sysfs пути.

Программа dd чрезвычайно полезна в работе с блочными и символьными устройствами. Ее единственная функция заключается в чтении из входного файла или потока и записи в выходной файл или поток с выполнением некоторых преобразований кодирования по мере необходимости.

Найти имя устройства можно несколькими способами:

• Использовать udevadm (см. раздел 3.5)
• Найти в каталоге /sys
• Проверить journalctl -k или журнал ядра
• Для дисков: mount
• Выполнить cat /proc/devices для просмотра драйверов

Первый метод наиболее надежен, но требует udev. В следующих разделах рассмотрены основные типы устройств Linux.

Большинство дисков в Linux именуются с префиксом sd (/dev/sda, /dev/sdb и т.д.). «sd» расшифровывается как SCSI-диск (Small Computer System Interface). Ядро создает отдельные файлы для разделов (/dev/sda1, /dev/sda2).

Список SCSI-устройств:

$ lsscsi
[0:0:0:0] disk ATA WDC WD3200AAJS-2 01.0 /dev/sda
[2:0:0:0] disk FLASH Drive UT_USB20 0.00 /dev/sdb

Система назначает устройства в порядке обнаружения драйверами. Проблема: при удалении диска остальные переименовываются (/dev/sdc становится /dev/sdb). Решение: UUID или LVM (Logical Volume Manager).

Дисковые устройства для виртуальных машин (AWS, VirtualBox, Xen).

Интерфейс NVMe для SSD. Просмотр:

nvme list

Используется менеджер LVM со сопоставителем устройств (device mapper). Подробнее в главе 4.

Linux распознает оптические накопители как SCSI-устройства (/dev/sr0, /dev/sr1). Для чтения используйте /dev/sr*, для записи - /dev/sg0.

PATA - устаревший интерфейс хранения. Устройства /dev/hda, /dev/hdb, /dev/hdc, /dev/hdd используются в старых ядрах Linux и оборудовании. Если диск SATA распознается как PATA-устройство, это означает, что диск работает в режиме совместимости с пониженной производительностью. Проверьте BIOS для переключения контроллера SATA в собственный режим.

Терминалы - устройства для передачи символов между процессом пользователя и устройством ввода-вывода.

Большинство современных терминалов - это псевдотерминальные устройства, эмулирующие реальные терминалы через интерфейс ввода-вывода ядра (окно оболочки).

Основные устройства:

• /dev/tty1 - первая виртуальная консоль
• /dev/pts/0 - первое псевдотерминальное устройство (/dev/pts - выделенная файловая система)
• /dev/tty - управляющий терминал текущего процесса

Linux поддерживает два режима: текстовый и графический. Каждая виртуальная консоль может работать в любом режиме.

В текстовом режиме переключение между консолями:

• Alt+F1 → /dev/tty1
• Alt+F2 → /dev/tty2 и т. д.

В графическом режиме требуется Ctrl+Alt+Fn для переключения, или Ctrl+Alt+F1 для перехода в текстовую консоль.

Если переключение не работает, используйте команду:

# chvt 1

Для подключения используйте команду screen:

screen /dev/ttyS0

Может потребоваться добавить пользователя в группу dialout для доступа к портам. Полезно для платформ на микроконтроллерах (Arduino, CircuitPython и т. д.).

Устаревший интерфейс, заменен USB и сетями. Однонаправленные параллельные портовые устройства:

Можно отправлять файлы непосредственно на параллельный порт с помощью команды cat, но может потребоваться подать страницу или перезагрузить принтер. Сервер печати, такой как CUPS, эффективнее справляется при взаимодействии с принтером.

Двунаправленные параллельные порты: /dev/parport0 и /dev/parport1.

Linux имеет два набора аудиоустройств:

Системы Linux с ALSA поддерживают обратную совместимость OSS (при загрузке поддержки в ядре).

С драйвером dsp OSS возможны элементарные операции. Например, воспроизведение WAV-файла:

cat file.wav > /dev/dsp

Однако могут возникнуть проблемы с несоответствием частоты, и устройство часто уже занято.

Примечание: Звуки в Linux — это запутанная история множества слоев. Помимо устройств уровня ядра, в пользовательском пространстве работают серверы (pulse-audio), управляющие звуком из разных источников и выступающие посредниками между звуковыми устройствами и процессами пользовательского пространства.

В новых системах Linux файлы устройств создаются автоматически утилитами devtmpfs и udev (см. раздел 3.5). Однако полезно знать, как создать устройство вручную (редко требуется для именованных конвейеров или файлов сокетов).

Команда mknod создает одно устройство. Необходимо знать его имя, основной и второстепенный номера:

# mknod /dev/sda1 b 8 1

Параметр `b 8 1` указывает на блочное устройство с основным номером 8 и второстепенным номером 1. Для символьных устройств используйте параметр `c` вместо `b` (для именованных конвейеров опустите номера).

В старых версиях Unix и Linux каталог /dev требовал ручного обслуживания. С каждым обновлением ядра возникали новые номера устройств, решаемые программой MAKEDEV. Эта статическая система оказалась неэффективной:

• devfs — реализация /dev в пространстве ядра (имела ограничения)
• udev и devtmpfs — современная динамическая система управления устройствами

Ядро Linux может отправлять уведомления процессу пользовательского пространства, называемому udevd, при обнаружении нового устройства в системе (например, когда кто-то подключает USB-накопитель). Процесс udevd может изучить характеристики нового устройства, создать его файл, а затем выполнить любую инициализацию устройства.

Файлы устройств необходимы еще на этапе загрузки, так что udevd не должен зависеть от каких-либо устройств. Udevd должна инициализировать устройства очень быстро, что бы остальная система не ждала её во время загрузки.

devtmpfs разработана для решения проблемы доступности устройства во время загрузки. Ядро создает файлы устройств по мере необходимости и уведомляет udevd о наличии нового устройства.

Получив сигнал, udevd:

• Не создает файлы устройств
• Выполняет инициализацию устройства
• Настраивает права доступа
• Уведомляет другие процессы о новых устройствах
• Создает символические ссылки в /dev для идентификации устройств

Пример ссылок для типичного диска (подключен в /dev/sda):

$ ls -l /dev/disk/by-id
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 -> ../../sda
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part1 -> ../../sda1
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part2 -> ../../sda2
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part5 -> ../../sda5

Процесс udevd назывет ссылки по типу интерфейса, информации о производителе, модели, серийному номеру и разделу.

Примечание: Часть tmp в devtmpfs указывает на то, что файловая система находится в оперативной памяти с возможностью чтения/записи процессами пользовательского пространства. Это позволяет udevd создавать символические ссылки.

1. Ядро отправляет udevd уведомление о событии (uevent) по внутренней сетевой ссылке
2. Демон udevd загружает все атрибуты события uevent
3. Демон udevd анализирует правила, фильтрует и обновляет событие, выполняет действия и устанавливает атрибуты

ACTION=change
DEVNAME=sde
DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb1/1-1/1-1.2/1-1.2:1.0/host4/target4:0:0/4:0:0:3/block/sde
DEVTYPE=disk
DISK_MEDIA_CHANGE=1
MAJOR=8
MINOR=64
SEQNUM=2752
SUBSYSTEM=block
UDEV_LOG=3

После получения события udevd узнает имя устройства, путь sysfs и атрибуты, затем готов к обработке правил.

1. udevd считывает правила от начала до конца файла
2. После чтения и выполнения правила udevd продолжает чтение текущего файла для получения следующих применимых правил
3. Директивы (например, GOTO) позволяют пропускать части правил (обычно в верхней части файла)

# ATA
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi",
ATTRS{vendor}=="ATA", IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"
 
# ATAPI devices (SPC-3 or later)
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi",
ATTRS{type}=="5",ATTRS{scsi_level}=="[6-9]*", IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"

Эти правила соответствуют дискам ATA и оптическим носителям через подсистему SCSI. Правила пытаются подобрать устройство, начинающееся с sd или sr без номера, с подсистемой SCSI и другими атрибутами. При истинности всех условий выполняется директива:

IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"

# /lib/udev/ata_id --export /dev/sda
ID_ATA=1
ID_TYPE=disk
ID_BUS=ata
ID_MODEL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0
ID_MODEL_ENC=WDC\x20WD3200AAJS22L7A0\x20...\x20\x20
ID_REVISION=01.03E10
ID_SERIAL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671

Импорт устанавливает переменные окружения из вывода команды. Любое следующее правило теперь распознает ENV{ID_TYPE} как диск.

Важное условие для переменной ID_SERIAL:

ENV{ID_SERIAL}!="?*"

Это выражение истинно, если ID_SERIAL не задана. Если значение уже установлено, условие ложно и udevd пропускает текущее правило.

Цель: запустить процесс ata_id для поиска серийного номера, затем добавить атрибуты в рабочую копию uevent.

Когда ENV{ID_SERIAL} установлена, используется правило для создания ссылок:

KERNEL=="sd*|sr*|cciss*", ENV{DEVTYPE}=="disk", ENV{ID_SERIAL}=="?*",
SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}"

Директива SYMLINK+= добавляет символическую ссылку для обнаруженного устройства.

udevadm - инструмент администрирования udevd для поиска устройств, изучения их атрибутов и мониторинга uevent-событий из ядра.

Просмотр всех атрибутов udev для устройства:

$ udevadm info --query=all --name=/dev/sda

Вывод содержит атрибуты с префиксами:

Мониторинг uevent-событий:

$ udevadm monitor

Вывод показывает события ядра (KERNEL) и обработанные udevd события (UDEV).

Основные параметры:

Пример фильтрации по SCSI:

$ udevadm monitor --kernel --subsystem-match=scsi

Примечание: Демон udisksd автоматически присоединяет диски и уведомляет процессы о новых устройствах.

Традиционная SCSI конфигурация состоит из хост-адаптера, связанного с цепочкой устройств на шине SCSI. Каждое устройство имеет SCSI ID (8 или 16 идентификаторов в зависимости от версии).

Современные варианты:

• Serial Attached SCSI (SAS) — высокая производительность
• USB-накопители с SCSI командами
• ATAPI (CD/DVD-приводы) — версия SCSI команд
• SATA диски — транслируются через libata

$ lsscsi
[0:0:0:0] disk ATA WDC WD3200AAJS-2 01.0 /dev/sda
[1:0:0:0] cd/dvd Slimtype DVD A DS8A5SH XA15 /dev/sr0
[2:0:0:0] disk USB2.0 CardReader CF 0100 /dev/sdb
[3:0:0:0] disk FLASH Drive UT_USB20 0.00 /dev/sdf

Формат [H:B:T:L]:

Верхний уровень — обработка операций класса устройств (драйвер sd для дисков, преобразует запросы ядра в SCSI команды).

Средний уровень — модерирование и маршрутизация сообщений SCSI между верхним и нижним уровнями, отслеживание шин и устройств.

Нижний уровень — обработка действий, зависящих от оборудования (отправка/приём SCSI сообщений адаптерам хоста).

Ключевое правило: для каждого файла устройства ядро использует один драйвер верхнего и один драйвер нижнего уровня. Пример: для /dev/sda используются драйвер sd (верхний) и драйвер ATA bridge (нижний).

USB-накопитель, хотя и понимает команды SCSI, требует для взаимодействия с ядром трёхуровневую подсистему USB (подобную подсистеме SCSI): класс устройств, управление шиной, хост-контроллеры.

Драйвер USB-накопителя выступает переводчиком между SCSI и USB протоколами, переупаковывая команды SCSI в USB-сообщения.

Для связи подсистем используется простой SCSI-мост (нижний уровень SCSI подключается к драйверу хранения USB-подсистемы).

Диски SATA и ATAPI-приводы подключаются к подсистеме SCSI через драйвер-мост libata.

Аналогия: ATAPI — как переписывание английского текста (синтаксическая задача), SATA диск — как перевод с немецкого (требует понимания смысла).

Обобщённые устройства SCSI (/dev/sg*) позволяют пользовательским процессам напрямую отправлять команды SCSI, минуя драйверы классов устройств.

Просмотр обобщённых устройств:

$ lsscsi -g
[0:0:0:0] disk ATA WDC WD3200AAJS-2 01.0 /dev/sda /dev/sg0
[1:0:0:0] cd/dvd Slimtype DVD A DS8A5SH XA15 /dev/sr0 /dev/sg1

Причина использования: сложные операции (например, запись на CD/DVD) выполняются в пользовательском пространстве через sg-устройства, а не в ядре. Это упрощает разработку и поддержку.

Одно физическое устройство может быть доступно через несколько точек входа.

Пример: оптический привод:

• sr (/dev/sr0) — чтение через блочный драйвер
• sg (/dev/sg1) — запись через обобщённое SCSI устройство

Такие процессы обычно не запускаются одновременно для одного устройства.

Примечание: жёсткие диски имеют ещё больше слоёв доступа поверх блочных устройств (описано далее).