informática electrónica unidad 6 interfaces y manejadores

APIs y Device Drivers

Informática ElectrónicaUnidad 6

Interfaces y Manejadores de Dispositivos


Modalidad y Materiales

● Dos clases expositivas a cargo del docente responsable ([email protected])

● 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

http://www.dsi.fceia.unr.edu.ar/downloads/IE-TP5.rar

http://www.dsi.fceia.unr.edu.ar/index.php?option=com_content&view=article&id=262:bibliografia-apuntes-y-material-de-utilidad&catid=53:informatica-electronica&Itemid=80


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


Componentes de un API

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


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


API: Arquitectura

API

Aplicación Aplicación Aplicación

Hardware u otras capas de software


API: Arquitectura

API

AplicaciónLlamada Respuesta


Código: Ejemplos

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

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


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


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.


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


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


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)


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


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


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


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.


API Garmin: Modelo Arquitectural

Capa Física

Capa de Enlace

Capa de Aplicación


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


Implementación Windows

S.O. Windows

Hardware

Garmin Communicator Plugin

Aplicación del Usuario

GPSUSB


Garmin SDK

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

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


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


Device Drivers


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.

http://www.microsoft.com/whdc/driver/wdf/wdf-arch.mspx

http://www.xml.com/ldd/chapter/book/index.html

http://www.dsi.fceia.unr.edu.ar/downloads/p8-tsegaye.pdf


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


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()


¿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”


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.


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)


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”


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



● 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



● 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/


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)


Arquitectura WDM (Windows kernel mode dd)

Windows KernelI/O Manager

Kernel Mode

User Mode

KMDF

Application

Win32 API

Kernel-Mode Driver

I/O request


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


Arquitectura DD Unix/Linux

Hardware

Kernel

Módulo

System Calls API

Módulo Módulo

Aplicación Aplicación Aplicación Aplicación

EspacioDel

Kernel

EspacioDe

Usuario

open(), read(), write()


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).


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


Acceso al DD vía API del S.O.

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

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

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa363858%28VS.85%29.aspx




http://www.manpagez.com/man/2/open/

http://www.manpagez.com/man/2/read/

http://www.manpagez.com/man/2/write/

http://www.manpagez.com/man/2/ioctl/


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


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”


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


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

informática electrónica unidad 6 interfaces y manejadores

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