# Практическая работа 2: Драйверы ФС, Драйвера устройств.
## Цели работы
1) Узнать, какие файловые системы поддерживаются ядром Debian 11.
2) Посмотреть таблицу примонтированных файловых систем.
3) Научится выводить список модулей ядра и подключенных устройств.
## Теоретические материалы к работе:
Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе.

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ API. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

На физическом уровне драйверы ФС оптимизируют запись и считывание отдельных частей файлов для ускоренной обработки запросов, фрагментации и «склеивания» хранящейся в ячейках информации. Данный алгоритм получил распространение в большинстве популярных файловых систем на концептуальном уровне в виде иерархической структуры представления метаданных (B-trees). Технология снижает количество самых длительных дисковых операций – позиционирования головок при чтении произвольных блоков. Это позволяет не только ускорить обработку запросов, но и продлить срок службы HDD.

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением.

В ФС каждый файл определяется конкретным индексом — Inode (от англ. index node — «индексный дескриптор»). Но при этом один файл (речь о физическом размещении) может иметь сразу несколько имен (или путей). И если в структуре ФС файлы будут отличаться, то на жестком диске им может соответствовать один файл. Это означает, что ФС Linux перекрестно-иерархична, а ветви дерева могут пересекаться.

Корневой раздел в Linux один — «/» (root, «корень)». Разделы называются подкаталогами, примонтированными к соответствующим каталогам. При монтировании происходит ассоциирование каталога с устройством, содержащим ФС (драйвер). Соответствующая ссылка на устройство передается драйверу. Именно он и определяет ФС. Если процедура завершается успешно, ядро заносит информацию (каким драйвером обслуживаются и где расположены файлы и каталоги) в таблицу монтирования. Она находится в файле /proc/mounts.

Данные о каждом файле содержит Inode — специфичный для UNIX-систем индексный дескриптор, хранящий различную метаинформацию (владелец файла, последнее время обращения, размер и так далее).

**Драйверы устройств**

Одной из основных задач операционной системы является управление аппаратной частью. Ту программу или тот кусок программного кода, который предназначен для управления конкретным устройством, и называют обычно драйвером устройства. Необходимость драйверов устройств в операционной системе объясняется тем, что каждое отдельное устройство воспринимает только свой строго фиксированный набор специализированных команд, с помощью которых этим устройством можно управлять. Причем команды эти чаще всего предназначены для выполнения каких-то простых элементарных операций. Если бы каждое приложение вынуждено было использовать только эти команды, писать приложения было бы очень сложно, да и размер их был бы очень велик. Поэтому приложения обычно используют какие-то команды высокого уровня (типа "записать файл на диск"), а о преобразовании этих команд в управляющие последовательности для конкретного устройства заботится драйвер этого устройства. Поэтому каждое отдельное устройство, будь то дисковод, клавиатура или принтер, должно иметь свой программный драйвер, который выполняет роль транслятора или связующего звена между аппаратной частью устройства и программными приложениями, использующими это устройство.

В Linux драйверы устройств бывают трех типов.

Драйверы первого типа являются частью программного кода ядра (встроены в ядро). Соответствующие устройства автоматически обнаруживаются системой и становятся доступны для приложений. Обычно таким образом обеспечивается поддержка тех устройств, которые необходимы для монтирования корневой файловой системы и запуска компьютера. Примерами таких устройств являются стандартный видеоконтроллер VGA, контроллеры IDE-дисков, материнская плата, последовательные и параллельные порты.

Драйверы второго типа представлены модулями ядра. Они оформлены в виде отдельных файлов и для их подключения (на этапе загрузки или впоследствии) необходимо выполнить отдельную команду подключения модуля, после чего будет обеспечено управление соответствующим устройством. Если необходимость в использовании устройства отпала, модуль можно выгрузить из памяти (отключить). Поэтому использование модулей обеспечивает большую гибкость, так как каждый такой драйвер может быть переконфигурирован без остановки системы. Модули часто используются для управления такими устройствами как SCSI-адаптеры, звуковые и сетевые карты.

Файлы модулей ядра располагаются в подкаталогах каталога /lib/modules. Обычно при инсталляции системы задается перечень модулей, которые будут автоматически подключаться на этапе загрузки. Список загружаемых модулей хранится в файле /etc/modules. А в файле /etc/modules.conf находится перечень опций для таких модулей. Редактировать этот файл "вручную" не рекомендуется, для этого существуют специальные скрипты (типа update-modules).

Для подключения или отключения модулей в работающей системе имеются специальные утилиты.

• lsmod - выдает список загруженных в данный момент модулей.

• insmod - служит для загрузки или "установки" модуля из командной строки.

• rmmod - служит для выгрузки или "удаления" модуля.

• modprobe - автоматически загружает модули. Для того, чтобы отобразить текущую конфигурацию всех модулей можно воспользоваться командой: modprobe -c.

Хотя файлы модулей имеют суффикс.o, при использовании этих команд ссылки на модули указываются без упоминания этого суффикса. Например: при упоминании модуля, файл которого называется "filename.o", вы должны использовать в командной строке просто "filename".

И, наконец, для третьего типа драйверов устройств программный код драйвера поделен между ядром и специальной утилитой, предназначенной для управления данным устройством.

Но надо специально отметить, что во всех трех случаях непосредственное взаимодействие с устройством осуществляет ядро или какой-то модуль ядра. А пользовательские программы взаимодействуют с драйверами устройств через специальные файлы, расположенные в каталоге /dev и его подкаталогах. То есть взаимодействие прикладных программ с аппаратной частью компьютера в ОС Linux осуществляется по следующей схеме:

`устройство ‹-› ядро ‹-› специальный файл устройства ‹-› программа пользователя`

Такая схема обеспечивает единый подход ко всем устройствам, которые с точки зрения приложений выглядят как обычные файлы.

## Методические указания к выполнению:

Для того, чтобы получить доступ к файлам, хранящимся на каком-либо устройстве хранения данных, необходимо, чтобы в ядро был загружен драйвер соответствующей файловой системы, и файловая система была смонтирована. Драйвера всех файловых систем поддерживают набор стандартных функций: открыть файл по имени, записать данные в файл, прочитать данные из файла, закрыть файл, удалить файл и т.д.

При первоначальной загрузке драйвер файловой системы регистрирует в VFS имя файловой системы и те функции, которые предназначены для выполнения стандартных файловых операций. Впоследствии при обращении к файлу на какой-либо файловой системе VFS будет переадресовывать обращение на соответствующую функцию, если таковая была зарегистрирована драйвером. Посмотреть список обслуживаемых ядром файловых систем можно в файле /proc/filesystems:

root@debian:/# cat /proc/filesystems 
nodev	sysfs
nodev	tmpfs
nodev	bdev
nodev	proc
nodev	cgroup
nodev	cgroup2
nodev	cpuset
nodev	devtmpfs
nodev	debugfs
nodev	tracefs
nodev	securityfs
nodev	sockfs
nodev	bpf
nodev	pipefs
nodev	ramfs
nodev	hugetlbfs
nodev	devpts
nodev	mqueue
nodev	pstore
	ext3
	ext2
	ext4
nodev	autofs
nodev	configfs
	fuseblk
nodev	fuse
nodev	fusectl

Операция монтирования предназначена для того, чтобы сделать доступной файловую систему, расположенную на каком-либо блочном устройстве. Суть операции монтирования заключается в том, что ядро ассоциирует некоторый каталог (называемый точкой монтирования) с блочным устройством и драйвером файловой системы. Для этого оно передает ссылку на блочное устройство драйверу файловой системы, и в случае, если драйвер успешно проидентифицировал эту файловую систему, ядро заносит в специальную таблицу монтирования информацию о том, что все файлы и каталоги, чей полный путь начинается с указанной точки монтирования, обслуживаются соответствующим драйвером файловой системы и расположены на указанном блочном устройстве.

Некоторые файловые системы не нуждаются в блочном устройстве, поскольку хранят свои данные исключительно в памяти, например файловая система procfs, через файлы которой можно получить доступ к различным системным параметрам и таблицам.

Очень часто при монтировании файловой системы системный администратор имеет возможность задать опции монтирования. Опции монтирования – это специальные параметры, которые влияют на работу драйвера файловой системы, когда он работает с файловой системой на соответствующем блочном устройстве – например, с помощью опций монтирования можно управлять режимом кэширования данных, преобразованиями имен файлов и данных, включать и отключать поддержку ACL и т.д.

Посмотреть таблицу примонтированных файловых систем можно через файл /proc/mounts:

root@debian:/# cat /proc/mounts
sysfs /sys sysfs rw,nosuid,nodev,noexec,relatime 0 0
proc /proc proc rw,nosuid,nodev,noexec,relatime 0 0
udev /dev devtmpfs rw,nosuid,relatime,size=963512k,nr_inodes=240878,mode=755,inode64 0 0
devpts /dev/pts devpts rw,nosuid,noexec,relatime,gid=5,mode=620,ptmxmode=000 0 0
tmpfs /run tmpfs rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,size=199332k,mode=755,inode64 0 0

Виртуальная файловая система Linux различает несколько типов файлов: каталоги, обычные файлы, именованные каналы, символьные ссылки, сокеты и специальные файлы. Каждая из этих разновидностей обрабатывается своим собственным образом:

* Обычные файлы могут быть прочитаны, записаны, удалены или отображены в память.

* Каталог можно представить как список имен файлов, и для этого списка определены операции добавления элемента в список, удаление элемента из списка, переименование элемента списка.

* Именованные каналы являются просто буферами – в него можно записать некоторый объем данных, и прочесть их в том же порядке, в каком они были записаны.

* Сокеты являются вариантом именованных каналов, но если у именованного канала буфер только один, то есть нельзя определить какой процесс записал данные в канал, то у сокетов может быть несколько клиентов, один из которых осуществляет управление сокетом и может обмениваться данными с любым из остальных клиентов, а те в свою очередь могут обмениваться данными с диспетчером канала – то есть сокет поддерживает множество независимых буферов, по одному на каждую пару сервер+клиент

* Специальные файлы предназначены для того, чтобы осуществлять прямой доступ к устройствам. Подробнее о специальных файлах будет говориться в главе Секреты /dev

* Символьные ссылки являются “ярлыками”, которые могут содержать имя другого файла – и тогда операции чтения, записи и открытия/закрытия файла автоматически переадресовываются к файлу, на который указывает символьная ссылка, но в отличие от “ярлыков” Windows (shortcuts), символьные ссылки (symbolic links) не требуют специальных функций при работе – все программы (кроме тех, которые специально предназначены для работы с ними) видят их как обычные файлы, и также их открывают, читают и записывают данные и т.д.

В некоторых файловых системах, которые изначально проектировались для UNIX-подобных систем, есть возможность создавать кроме символьных ссылок еще и жесткие ссылки. Фактически, жесткая ссылка – это второе имя для файла. Жесткие ссылки возможно создавать только в пределах одной файловой системы.

Из-за того, что в VFS присутствует понятие кэширования, перед отключением системы необходимо делать обязательный сброс изменений на диск. Сброс кэша на диск осуществляется в момент размонтирования файловой системы. Кроме того, с помощью команды sync можно в любой момент принудительно сбросить на диск все закэшированные изменения в файловой системе (например, системные администраторы часто делают sync перед загрузкой нового драйвера). Размонтировать файловую систему можно только тогда, когда ни один процесс не удерживает в открытом состоянии файлов с этой файловой системы, а также не находится ни один процесс не имеет рабочим каталогом каталога с размонтируемой файловой системы. При невыполнении этого условия размонтировать файловую систему не удастся.

Влияющие на синхронизацию файловые системы, содержат в своем названии слово sync, например приведенная ниже команда инструктирует операционную систему примонтировать некоторый раздел в режиме принудительной синхронизации:

`root@debian:/# sudo mount -t ext3 -o sync,dirsync /dev/sda /home`

Следует учесть, что принудительная синхронизация – это удар по производительности операций записи для файловой системы, смонтированной в таком режиме, поэтому использовать такой его следует осторожно.

Теперь давайте посмотрим список установленных модулей ядра:

root@debian:/# lsmod
Module                  Size  Used by
...

И список подключенных устройств:

root@debian:/# lspci
00:00.0 Host bridge: Intel Corporation 440BX/ZX/DX - 82443BX/ZX/DX Host bridge (rev 01)
00:01.0 PCI bridge: Intel Corporation 440BX/ZX/DX - 82443BX/ZX/DX AGP bridge (rev 01)
00:07.0 ISA bridge: Intel Corporation 82371AB/EB/MB PIIX4 ISA (rev 08)
00:07.1 IDE interface: Intel Corporation 82371AB/EB/MB PIIX4 IDE (rev 01)
...