В абстракции подсистема USB очень похожа на SCSI: у нее есть классы устройств, шины и хост-контроллеры. Следовательно, не должно вызывать удивления то, что ядро системы Linux содержит трехслойную подсистему USB, которая сильно напоминает подсистему SCSI: сверху расположены драйверы классов устройств, в середине находится ядро управления шиной, а внизу — драйверы хост-контроллера. Подобно тому как подсистема SCSI передает команды между своими компонентами, подсистема USB пересылает сообщения между своими компонентами. В ней есть даже команда lsusb, которая подобна команде lsscsi.
Часть, которая нам здесь особенно интересна, находится вверху. Это драйвер USB-хранилища. Данный драйвер играет роль переводчика. С одной стороны, он «говорит» на языке SCSI, а с другой — на языке USB. Поскольку аппаратные средства для хранения данных включают команды SCSI внутрь сообщений USB, у драйвера довольно простая работа: главным образом он занят переупаковкой данных.
Когда обе подсистемы (SCSI и USB) заняли свои места, у вас в наличии практически все, что необходимо для обращения к флеш-накопителю. Последнее недостающее звено — это драйвер нижнего слоя в подсистеме SCSI, так как драйвер USB-хранилища является частью подсистемы USB, а не подсистемы SCSI. (Из организационных соображений две подсистемы не должны совместно использовать один и тот же драйвер.) Чтобы две подсистемы смогли общаться друг с другом, на нижнем слое простой драйвер моста SCSI выполняет соединение с драйвером хранилища в подсистеме USB.
3.6.2. Интерфейсы SCSI и ATA
Жесткий диск SATA и оптический привод, показанные на рис. 3.2, используют один и тот же интерфейс SATA. Чтобы присоединить драйверы ядра, специфичные для интерфейса SATA, к подсистеме SCSI, ядро задействует драйвер-мост, подобный мосту для USB-накопителей, но с другим механизмом и дополнительными усложнениями. Оптический привод «говорит» на языке ATAPI (это версия команд SCSI, закодированных в протокол ATA). Однако жесткий диск не использует интерфейс ATAPI и не кодирует никаких команд SCSI!
Ядро Linux применяет часть библиотеки libata, чтобы «примирить» приводы SATA (и ATA) с подсистемой SCSI. Для оптических приводов с интерфейсом ATAPI это довольно простая задача, заключающаяся в упаковке и извлечении SCSI-команд, содержащихся в протоколе ATA. Для жесткого диска задача существенно усложняется, поскольку библиотека должна выполнять полную трансляцию команд.
Работа оптического привода подобна работе по набору на компьютере книги на английском языке: вам не обязательно понимать, о чем эта книга, чтобы выполнить работу. Не надо даже понимать английский язык. Задача для жесткого диска напоминает чтение немецкой книги и ее набор на компьютере в виде перевода на английский язык. В этом случае вам необходимо знать оба языка и понимать содержание книги.
Библиотека libata справляется с задачей и дает возможность подключить подсистему SCSI для устройств с интерфейсами ATA/SATA. Как правило, оказывается вовлеченным большее количество драйверов, а не всего лишь один ведущий драйвер SATA, как показано на рис. 3.2. Остальные драйверы не показаны в целях упрощения схемы.
3.6.3. Обобщенные устройства SCSI
Процесс из пространства пользователя взаимодействует с подсистемой SCSI с помощью слоя блочных устройств и/или другой службы ядра, расположенной над драйвером класса устройств SCSI (например, sd или sr). Другими словами, большинству пользовательских процессов нет нужды знать что-либо об устройствах SCSI или об их командах.
Тем не менее пользовательские процессы могут обходить драйверы классов устройств и отправлять команды протокола SCSI напрямую устройствам с помощью обобщенных устройств. Посмотрите, например, на систему, описанную ранее в разделе. Но сейчас взгляните на то, что произойдет, когда вы добавите параметр -g в команду lsscsi, чтобы отобразить обобщенные устройства:
$ lsscsi -g
[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 /dev/sg1
[2:0:0:0] disk USB2.0 CardReader CF 0100 /dev/sdb /dev/sg2
[2:0:0:1] disk USB2.0 CardReader SM XD 0100 /dev/sdc /dev/sg3
[2:0:0:2] disk USB2.0 CardReader MS 0100 /dev/sdd /dev/sg4
[2:0:0:3] disk USB2.0 CardReader SD 0100 /dev/sde /dev/sg5
[3:0:0:0] disk FLASH Drive UT_USB20 0.00 /dev/sdf /dev/sg6
В дополнение к обычному файлу блочного устройства в каждой строке указан файл обобщенного SCSI-устройства (отмечен символом
Зачем может понадобиться обобщенное SCSI-устройство? Ответ обусловлен сложностью кода ядра. Когда задачи становятся более тяжелыми, лучше их вывести за пределы ядра. Представьте запись и чтение CD/DVD. Чтение происходит существенно проще записи, при нем не затрагиваются важные службы ядра. Программа в пространстве пользователя выполнила бы запись чуть менее эффективно, чем служба ядра, однако такую программу гораздо проще создать и поддерживать, чем службу ядра, а ошибки в ней не затронут пространство ядра. Следовательно, чтобы записать оптический диск в системе Linux, мы запускаем программу, которая «разговаривает» с обобщенным SCSI-устройством, таким как /dev/sg1. Однако благодаря простоте чтения, по сравнению с записью, считывание с устройства происходит с помощью специального драйвера sr в ядре.
3.6.4. Методы коллективного доступа к одному устройству
На рис. 3.3 для SCSI-подсистемы Linux показаны две точки доступа (sr и sg) к оптическому приводу из пространства пользователя (опущены все драйверы, которые расположены под самым нижним уровнем SCSI). Процесс А осуществляет чтение с помощью драйвера sr, а процесс Б производит запись с помощью драйвера sg. Однако такие процессы не могут одновременно получать доступ к одному устройству.
Рис. 3.3. Схема драйверов оптического привода
На рис. 3.3 процесс А осуществляет чтение с блочного устройства. Однако действительно ли пользовательские процессы считывают данные подобным образом? Ответ, как правило, отрицательный: нет, напрямую не считывают. Над блочными устройствами есть дополнительные слои, а для жестких дисков — также и дополнительные точки доступа, как вы узнаете из следующей главы.
4. Диски и файловые системы
В главе 3 мы рассмотрели дисковые устройства верхнего уровня, которые делают ядро доступным. В данной главе мы детально расскажем о работе с дисками в Linux. Вы узнаете о том, как создавать разделы дисков, настраивать и поддерживать файловые системы в этих разделах, а также работать с областью подкачки.
Вспомните о том, что у дисковых устройств есть имена вроде /dev/sda, первого диска подсистемы SCSI. Такой тип блочного устройства представляет диск целиком, однако внутри диска присутствуют различные компоненты и слои.
На рис. 4.1 приведена схема типичного диска в Linux (масштаб не соблюден). По мере изучения этой главы вы узнаете, где находится каждый его фрагмент.
Рис. 4.1. Схема типичного диска Linux
Разделы являются более мелкими частями всего диска. В Linux они обозначаются с помощью цифры после названия блочного устройства и, следовательно, получают такие имена, как, например, /dev/sda1 и /dev/sdb3. Ядро представляет каждый раздел в виде блочного устройства, как если бы это был целый диск. Разделы определяются в небольшой области диска, которая называется таблицей разделов.