Перед началом

Вы, возможно, разработали драйверы устройств для других платформ — Mac OS 9, возможно, или BSD или другая разновидность UNIX. Одна вещь Вы обнаружите чтение этого документа, состоит в том, насколько отличающийся подход с Набором I/O. Несмотря на то, что запись драйверов для OS X требует новых способов мышления и различных способов запрограммировать, Вы достаточно вознаграждены за смещение к этому новому подходу. Набор I/O упрощает разработку драйвера и поддерживает много категорий устройств. Как только Вы свалили основы Набора I/O, Вы сочтете его относительно простым и эффективным вопросом для создания драйверов устройств.

Перед попыткой разработки драйвера с Набором I/O Apple настоятельно рекомендует определенные предпосылки. Поскольку платформа использует модель объектно-ориентированного программирования, реализованную в ограниченном подмножестве C++, она помогает знать C++ или объектно-ориентированные понятия в целом. Кроме того, драйверы устройств не являются той же вещью как приложения, потому что, будучи резидентным объектом ядра, они должны соблюдать более строгие правила. Знание программирования ядра поэтому очень полезно.

Действительно, программированию в ядре обескураживают кроме тех случаев, когда это абсолютно необходимо. Много альтернатив для связи с аппаратными средствами и сетями существуют в более высоких уровнях системы, включая “функцию” интерфейса устройства I/O, Кит, описанный в Управляющих устройствах Извне Ядра, Видит, что действительно ли необходимо Программировать в Ядре? для больше на альтернативах программированию ядра.

Функции Набора I/O

От ее начала фундаментальная цель для Набора I/O состояла в том, чтобы разместить и увеличить собственные функции и возможности OS X, особенно те из среды ядра. Как модель драйвера для OS X, Набор I/O поддерживает следующие функции:

• Конфигурация динамического и автоматического устройства (Plug and Play)

• Много новых типов устройств, включая графическое ускорение и мультимедийные устройства

• Управление питанием (например, режим «сна»)

• Осуществление ядра защищенной памяти — разделяет адресные пространства для пользовательских программ и ядра

• Вытесняющая многозадачность

• Симметричная мультипроцессорная обработка

• Общие абстракции совместно используются типами устройств

• Улучшенный опыт разработки — новые драйверы должно быть просто записать

Набор I/O поддерживает эти функции ядра со своей новой моделью для драйверов устройств и добавляет некоторые дополнительные опции:

• Объектно-ориентированная платформа, реализовывая общее поведение совместно использовала среди всех драйверов и типов (семейства) драйверов

• Много семей для разработчиков для здания

• Поточная обработка, коммуникация и примитивы управления данными для контакта с проблемами имели отношение к многопроцессорной обработке, управлению задачей и I/O-transfers

• Устойчивый, эффективный механизм соответствия-и-загрузки, масштабирующийся хорошо ко всем типам шины

• Реестр I/O, база данных, отслеживающая инстанцированные объекты (такие как экземпляры драйвера) и предоставляющая информацию о них

• Каталог I/O, база данных всех классов Набора I/O, доступных в системе

• Ряд интерфейсов устройства — сменные механизмы, который позволяет приложениям и другому программному обеспечению в «пространстве пользователя» связываться с драйверами

• Превосходная общая производительность

• Поддержка произвольно объединяет разделение на уровни объектов провайдера и клиента

Модель объектно-ориентированного программирования Набора I/O реализована в ограниченном подмножестве C++. Объектная ориентация просто сам по себе является преимуществом в разработке драйвера из-за возможности многократного использования кода, которой это способствует. Как только Вы знакомы с Набором I/O, можно записать драйверы устройств намного более быстро и эффективно, чем Вы можете с помощью процедурной модели. Кроме того, возможность многократного использования кода уменьшает объем потребляемой памяти драйверов; драйверы, портированные от Mac OS 9, например, были до 75% меньшего размера в OS X.

Принципы разработки набора I/O

OS X является в основном продуктом двух деформаций технологии операционной системы: Mac OS 9 (и его предшественники) и BSD. Учитывая эту родословную, возможно, ожидала, что Apple примет модель драйвера устройства Mac OS 9 или FreeBSD. Вместо этого Apple принял решение перепроектировать модель. Несколько причин мотивировали это решение.

Во-первых, ни Mac OS 9 моделей драйвера, ни модель драйвера FreeBSD не предлагают ряд функций, достаточно богатых для удовлетворения потребностей OS X. Ядро OS X значительно более совершенствуется, чем его предшественники Mac OS; это обрабатывает защиту памяти, вытесняющую многозадачность, многопроцессорную обработку и другие функции, не существующие в предыдущих версиях Mac OS. Несмотря на то, что FreeBSD способен к обработке этих функций, модель BSD не предлагает другие функции, ожидаемые в современной операционной системе, включая автоматическую конфигурацию, укладку драйвера, управление питанием и динамическую загрузку устройств.

Таким образом основная мотивация позади Набора I/O была несоответствием в настоящее время доступных моделей драйвера. Модернизация архитектуры I/O должна была использовать в своих интересах и поддерживать функции операционной системы OS X. К этому концу разработчики Набора I/O рассчитались на модели объектно-ориентированного программирования, абстрагировавшей возможности ядра и аппаратные средства системы OS X и обеспечившей представление этой абстракции к верхним уровням операционной системы. Востребованная часть этой абстракции является реализацией поведения, характерного для всех драйверов устройств (или типы драйверов устройств) в классах Набора I/O.

Как пример, рассмотрите виртуальную память. В Mac OS 9, виртуальная память не является фундаментальной частью операционной системы; это - опция. Из-за этого разработчик должен всегда принимать виртуальную память во внимание при создании драйвера, и это повышает определенные сложности. Напротив, виртуальная память является свойственной возможностью OS X и не может быть выключена. Поскольку виртуальная память является основным принципом и принятой возможностью, знание его включено в системное программное обеспечение, и писатели драйвера не должны принимать его во внимание.

Набор I/O функционирует как своего рода основа и координатор для драйверов устройств. Это - отбытие от предыдущих моделей драйвера. В Mac OS 9, все комплекты разработчика программного обеспечения (SDKs) независимы друг от друга и копируют общую функциональность. OS X поставляет Набор I/O как часть единственного комплекта разработчика ядра (KDK); все части KDK опираются на общие основы. OS X помогает разработчикам использовать в своих интересах аппаратную сложность, не требуя, чтобы они закодировали сложность программного обеспечения в каждый новый драйвер устройства. В большинстве случаев они должны только добавить определенный код, делающий их драйверы отличающимися.

Другая часть принципов проектирования Набора I/O должна сделать проект абсолютно открытым. Вместо того, чтобы скрывать APIs в попытке защитить разработчиков от себя, весь исходный код Набора I/O доступен как часть Дарвина. Разработчики могут использовать исходный код в качестве средства разработке (и отладка) новые драйверы.

Ограничения набора I/O

Несмотря на то, что Набор I/O поддерживает большинство типов аппаратных средств в системе OS X, это не полностью поддерживает все аппаратные средства. Одна категория таких устройств - используемые для обработки изображений, среди них принтеры, сканеры и цифровые фотоаппараты. Набор I/O предоставляет только ограниченную поддержку этих устройств, обрабатывая связь с этими устройствами через семьи FireWire и USB. Приложения или другие программы в пространстве пользователя ответственны за управление представляющими параметрами этих устройств (см. Управляющие устройства Извне Ядра для подробных данных). Если Ваше приложение должно управлять устройством отображения, необходимо использовать надлежащий комплект разработчика программного обеспечения (SDK) обработки изображений.

Несмотря на то, что Набор I/O пытается представлять иерархию и динамические отношения среди устройств и служб в системе OS X, некоторые вещи являются трудными к краткому обзору. Именно в этих серых областях абстракции, такой, разделяя нарушения на уровни происходит, писатели драйвера более самостоятельно. Даже когда представление Набора I/O является чистым и точным, возможность многократного использования кода семейства Набора I/O может быть ограничена. Все аппаратные средства могут иметь свои собственные причуды, и водительский код должен принять эти причуды во внимание.

Выбор языка

Apple рассмотрел несколько языков программирования для Набора I/O и выбрал ограниченное подмножество C++.

C++ был выбран по нескольким причинам. Компилятор C++ зрел, и язык предоставляет поддержку для системного программирования. Кроме того, уже существует многочисленное сообщество Macintosh (и BSD) разработчики с опытом C++.

Ограниченное подмножество запрещает определенные функции C++, включая

• Исключения

• Множественное наследование

• Шаблоны

• Информация о типах во время выполнения (RTTI) — Набор I/O использует свою собственную реализацию системы типов во время выполнения

Эти функции были отброшены, потому что их считали неподходящими для использования в многопоточном ядре. Если Вы чувствуете, что Вам нужны эти функции, необходимо пересмотреть проект. Необходимо быть в состоянии записать любой драйвер, Вы требуете использования Набор I/O с этими ограничениями на месте.

namespace com.mycompany {

    class com.mycompany.driver.myClass : public IOService { // This is not allowed.

        OSDeclareDefaultStructors (com.mycompany.driver.myClass);

    };

};

kld():Undefined symbols:

__cxa_guard_acquire

__cxa_guard_release

class com_mycompany_driver_mystaticclass;

void com_mycompany_driver_myclass::myfunction(void)

{

    static com_mycompany_driver_mystaticclass staticclass;

    staticclass.anotherfunction();

}

class com_mycompany_driver_mystaticclass;

static com_mycompany_driver_mystaticclasss staticclass;

void com_mycompany_driver_myclass::myfunction(void)

{

    staticclass.anotherfunction();

}

Части набора I/O

Физически и электронно, Набор I/O составлен из многих частей: платформы и библиотеки, средства разработки и инструменты тестирования и информационные ресурсы, такие как проекты в качестве примера, документация и заголовочные файлы. Этот раздел каталогизирует эти части и указывает, где они установлены и как к ним можно получить доступ.

Действительно ли необходимо ли программировать в ядре?

При размышлении о записи кода для среды ядра думайте тщательно. Программирование в ядре может быть трудной и опасной задачей. И часто существует способ выполнить то, что Вы хотите обойтись без касания ядра.

Программное обеспечение, находящееся в ядре, имеет тенденцию быть дорогим. Код ядра «соединен проводом» в физическую память и таким образом не может быть разбит на страницы системой виртуальной памяти. Поскольку больше кода помещается в ядро, меньше физической памяти доступно процессам пространства пользователя. Следовательно, действие разбивки на страницы, вероятно, усилится, таким образом ухудшая производительность системы.

Код ядра также по сути дестабилизирует, намного больше, чем код приложения. Среда ядра является единственным процессом, и это означает, что нет никакой защиты памяти между Вашим драйвером и чем-либо еще в ядре. Память доступа в неправильном месте и всей системе может прекратить работу, жертва паники ядра.

Кроме того, потому что код ядра обычно предоставляет услуги многочисленным клиентам пространства пользователя, любая неэффективность в коде может быть распространена тем клиентам, таким образом влияя на систему глобально.

Наконец, программное обеспечение ядра является реальной болью для записи. Существует тонкость для сцеплений, которые неизвестны в области разработки приложений. И ошибки в коде ядра более трудно найти, чем в программном обеспечении пространства пользователя.

Со всем этим в памяти, сообщение ясно. Это находится в общих интересах поместить как можно меньше код в ядро. И любой код, заканчивающийся в ядре, должен быть заточен и строго протестирован.