informática electrónica unidad 6 interfaces y manejadores

APIs y Device Drivers

Informática ElectrónicaUnidad 6

Interfaces y Manejadores de Dispositivos

APIs y Device Drivers

Modalidad y Materiales

● Dos clases expositivas a cargo del docente responsable (jlsimon@fceia.unr.edu.ar)

● Una práctica cargo de los alumnos (Práctica 5) que deberá entregarse antes del fin de cursado.

● Tres documentos de bibliografía en la página de material de la cátedra

● Documentos complementarios desarrollados en clase

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API

● Application Program Interface (interface para programas aplicativos) es el mecanismo mediante el cual un programa aplicativo accede a servicios de otros componentes de software

● Un API puede tomar distintas formas:● Librerías● Procedimientos● Protocolos● Objetos

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Componentes de un API

● Convenciones de utilización● Estructuras de datos● Protocolos de invocación● Mecanismos de sincronización

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API: Conceptos

● Conceptualmente, un API expone a los programas del usuario un conjunto de funcionalidades accesibles un forma controlada

● Un API puede permitir el acceso a dispositivos físicos (device drivers), a servicios de plataforma tales como E/S y comunicaciones o a funcionalidades específicas de una pieza de software

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API: Arquitectura

API

Aplicación Aplicación Aplicación

Hardware u otras capas de software

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API: Arquitectura

API

AplicaciónLlamada Respuesta

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Código: Ejemplos

● Funcional:int nbytes = send(tx_buf, len); /* C */

● Objetos:sc = new Socket(port);salida = new DataOutputStream(sc.getOutputStream()); salida.write(i); // Java

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API: Tipos

● Dependiente del lenguaje: disponible para ser utilizada desde un lenguaje de programación específico. Ejemplo: API de sockets de UNIX (C)

● Independiente del lenguaje: diseñada de forma tal que puede utilizarse por programas escritos en distintos lenguajes de programación. Ejemplo: web services

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API's: Ejemplos

● POSIX: Interface a los servicios de los sistemas operativos UNIX/POSIX

● WIN32: Interface a los servicios de Windows● Linux Standard Base: ídem anteriores para Linux● Nvidia CUDA: (Compute Unified Device

Architecture) compilador y conjunto de herramientas de desarrollo que permiten a los programadores usar una variación del lenguaje C para codificar algoritmos en GPUs de nVidia.

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Componentes de un API

● Uno o mas archivos de encabezado (*.h)● Una o mas librerías (*.o, *.lib, *.dll, etc.)● Un paquete de clases (Java: *.jar)● Usualmente encapsuladas en un “SDK”

(software Development Kit)● Una especificación de protocolo y mensajes

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Modelos

● Un API puede utilizar uno o mas mecanismos para comunicarse con los programas aplicativos, por ejemplo:● Llamada a funciones● Invocación de métodos● Paso de mensajes

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API Basada en Funciones● Un API basada en funciones se presenta como

una librería que se carga dinámica o estáticamente, y un conjunto de funciones o procedimientos que pueden invocarse desde un programa aplicativo.

● Para utilizarla se debe compilar el aplicativo junto con los encabezados (*.h) y linkeditar con uno o mas archivos *.lib

● Si la librería es dinámica se carga sólo en el momento de ejecución, y toma la forma de DLLs (Windows) o SO (Unix/Linux)

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API Basada en Funciones

● Es un modelo muy utilizado● Ejemplos:

● Placas adquisidoras de datos y conversores A/D● Placas de comunicaciones● Placas de captura de video

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API Basada en Mensajes● Establecen protocolos de diálogo en una

arquitectura similar al modelo OSI● Incluyen al menos una capa física, una de

enlace y una de aplicación● Como el intercambio está basado en mensajes,

permiten independizar el lenguaje del aplicativo● Ejemplo:

● NMEA● Garmin● ELCOM

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APIs Basada en Objetos● Utilizable cuando el lenguaje de programación

soporta el modelo de objetos: Java, C++, .NET● Se presenta como un paquete de clases que

brindan las funcionalidades requeridas mediante la instanciación de objetos y la posterior invocación de métodos sobre estos objetos

● Ejemplos:● Java ME para dispositivos móviles● Componentes de comunicaciones

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Caso de Estudio: Garmin GPS SDK

● Diseñada por un fabricante de dispositivos de posicionamiento satelital para la comunicación de los programas aplicativos con el GPS vía la interface física RS/232c o USB (Universal Serial Bus)

● Está especificada en protocolos● Permite la comunicación bidireccional con el

dispositivo GPS con un paradigma comando-respuesta.

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API Garmin: Modelo Arquitectural

Capa Física

Capa de Enlace

Capa de Aplicación

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Comunicación

Capa Física

Capa de Enlace

Capa de Aplicación

Capa Física

Capa de Enlace

Capa de Aplicación

Host GPS

Protocolo de Aplicación

Protocolo de Enlace

Protocolo FísicoRS232/USB

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Implementación Windows

S.O. Windows

Hardware

Garmin Communicator Plugin

Aplicación del Usuario

GPSUSB

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Garmin SDK

http://developer.garmin.com/web-device/device-sdk/

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Garmin SDK

● Encontramos tres herramientas:● La documentación● El Software Development Kit● Uno o mas ejemplos

● Consejo:● Leer la documentación● Bajar e instalar el SDK● Compilar y probar

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Device Drivers

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Bibliografía● Arquitectura de diseño de Device Drivers para Windows

(en inglés)● Linux Device Drivers (en inglés)● Comparación de arquitecturas de Device Drivers

en Linux y Windows (en inglés)● Todos los buenos libros sobre Sistemas

Operativos, por ejemplo “Sistemas Operativos Modernos” de Tannenbaum tienen capítulos dedicados al tema.

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Manejadores de Dispositivos

● En inglés “Device Drivers”, son piezas de software que se adicionan a los sistemas operativos para permitirles operar dispositivos.

● Los viejos kernels monolíticos manejaban un conjunto limitado de dispositivos

● En la actualidad un S.O. debe operar gran multiplicidad de dispositivos, algunos inexistentes cuando el S.O. fue diseñado

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Arquitectura

Hardware

Capa de abstracción del hardware

Kernel

Device Driver

API del S.O.

Device Driver Device Driver

Aplicación Aplicación Aplicación Aplicación

EspacioDel

Kernel

EspacioDe

Usuario

open(), read(), write()

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¿Qué es un Device Driver?

● Una pieza de software que nos permite acceder a servicios de uno o mas dispositivos

● Puede ser provisto por el fabricante del S.O., por el fabricante del dispositivo o por terceros, o incluso, fabricado por el usuario

● Es fuertemente dependiente de la plataforma y del dispositivo, y generalmente no es “portable”

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Clases de DD

● Kernel Space: el DD es integrado al código del Kernel del SO, y corre en la región de memoria y con el nivel de privilegio de Kernel. Las fallas del DD pueden comprometer la estabilidad de todo el sistema.

● User Space: el DD corre como una aplicación de usuario, sin privilegios especiales y en su espacio de memoria propio.

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Política y Mecanismo

● Los DD deben transferir datos desde o hacia la periferia -un disco rígido, un enlace de comunicaciones o un sensor- a la memoria del computador en forma eficiente y previsible

● Existen distintas técnicas para ejecutar esta tranferencia, entre las mas usadas están● DMA (Direct Memory Access)● Programmed I/O (interrupciones)

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Ciclo de Vida de un DD

● Un DD puede estar integrado en forma rígida con el SO o puede ser cargado y descargado bajo demanda.

● Ejemplo del primer caso son los DD de discos internos de una computadora

● Ejemplo del segundo caso es el de los dispositivos “plug-and-play”

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Marcos de Desarrollo

● Por la complejidad inherente al desarrollo de DD, los sistemas operativos modernos brindan entornos de programación que proveen funcionalidades de base y permiten al diseñador de DD centrarse en el manejo del dispositivo

● Consisten en especificaciones, librerías y herramientas a disposición del diseñador

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Marcos de Desarrollo

● Windows: ● Microsoft proporciona el Windows Driver

Foundation, que especifica el modelo arquitectural que deben seguir los DD para los sistemas operativos Windows, y el Windows Driver Kit, con las herramientas necesarias para el diseño, la construcción, prueba y certificación de DD

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Marcos de Desarrollo

● Linux: ● el proyecto Linux Driver Project aspira crear una

plataforma común para el desarrollo, prueba y certificación de DD de este sistema operativo.

http://www.linuxdriverproject.org/

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Arquitectura

● Los distintos sistemas operativos imponen en mayo o menor medida una arquitectura para los DD que soportan

● En algunos casos la arquitectura es obligatoria (Windows) y en otros hay mas elasticidad (Linux)

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Arquitectura WDM (Windows kernel mode dd)

Windows KernelI/O Manager

Kernel Mode

User Mode

KMDF

Application

Win32 API

Kernel-Mode Driver

I/O request

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Arquitectura WDM (Windows user mode dd)

Driver Manager

Windows Kernel I/O Manager

Kernel Mode

User Mode

Reflector

Application

Host Process

User-mode Driver

UMDF

Runtime EnvironmentWin32 API

I/O request

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Arquitectura DD Unix/Linux

Hardware

Kernel

Módulo

System Calls API

Módulo Módulo

Aplicación Aplicación Aplicación Aplicación

EspacioDel

Kernel

EspacioDe

Usuario

open(), read(), write()

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Utilización de un DD

● Según la plataforma, existen servicios del S.O. que permiten acceder en forma controlada a los dispositivos.

● El modelo de acceso sigue la lógica de archivos. El dispositivo es mostrado por el S.O. como un archivo especial, sobre el cual pueden ejecutarse lecturas, escrituras y funciones de control.

● En todo caso el programa que quiere acceder al DD debe obtener un “manejador” (handler).

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Device Handlers

● En Windows se obtiene mediante la llamada CreateFile(), tomando como argumento el “device path”: \\device\deviceX

● En Unix/Linux, la llamada open() devuelve un “file descriptor” asociado al archivo de dispositivo en el directorio /dev.

● El acceso a los servicios del DD se hace vía el API del sistema operativo

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Acceso al DD vía API del S.O.

● Windows:● CreateFile()● WriteFile()● ReadFile()● DeviceIoControl()

● Linux/Unix:● open()● read()● write()● ioctl()

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Caso de Estudio I: NDIS

● NDIS es el API estándar de Windows para el acceso a las funciones de red

● El ejemplo muestra la lectura de configuración de la capa MAC (Medium Access Control)

● Otro ejemplo de acceso a un DD en Windows es el API Garmin

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Caso de Estudio II: RTC Linux

● Todas las computadoras tienen un “Reloj de Tiempo Real”, encargado de mantener la referencia temporal externa en forma permanente, aún cuando la PC esté apagada

● Es frecuentemente utilizado el chip Motorola MC146818

● En Linux este dispositivo es representado mediante el archivo especial “/dev/rtc”

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Lectura del RTC en Linux*

/* Leer los segundos de RTC */unsigned char segundos;int fd;fd = open (“/dev/rtc”, O_RDONLY);ioctl (fd, 0, &segundos);close (fd);

/* Leer fecha y hora del RTC */char fecha_hora[256];int fd;fd = open (“/dev/rtc”, O_RDONLY);read (fd, fecha_hora, 255);close (fd);

* Ubuntu

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Práctica 5

● Para hacerla se debe conocer al menos:● Uso de gcc y make o gmake en Linux● Uso de Visual C++ (o Visual Studio) en Windows