В контексте операционной системы драйвер устройства — это компьютерная программа , которая управляет или контролирует определенный тип устройства , подключенного к компьютеру или автомату . [1] Драйвер обеспечивает программный интерфейс для аппаратных устройств, позволяя операционным системам и другим компьютерным программам получать доступ к аппаратным функциям без необходимости знать точные сведения об используемом оборудовании.
Драйвер взаимодействует с устройством через компьютерную шину или коммуникационную подсистему, к которой подключается оборудование. Когда вызывающая программа вызывает процедуру в драйвере, драйвер выдает команды устройству (управляет им). Как только устройство отправляет данные обратно драйверу, драйвер может вызывать процедуры в исходной вызывающей программе.
Драйверы зависят от оборудования и операционной системы. Обычно они обеспечивают обработку прерываний , требуемую для любого необходимого асинхронного аппаратного интерфейса, зависящего от времени. [2]
Основная цель драйверов устройств — обеспечить абстракцию, выступая в качестве переводчика между аппаратным устройством и приложениями или операционными системами , которые его используют. [1] Программисты могут писать код приложения более высокого уровня независимо от того, какое конкретное оборудование использует конечный пользователь. Например, высокоуровневое приложение для взаимодействия с последовательным портом может просто иметь две функции для «отправки данных» и «приема данных». На более низком уровне драйвер устройства, реализующий эти функции, будет взаимодействовать с конкретным контроллером последовательного порта, установленным на компьютере пользователя. Команды, необходимые для управления UART 16550, сильно отличаются от команд, необходимых для управления преобразователем последовательного порта FTDI , но каждый драйвер устройства, специфичный для оборудования, абстрагирует эти детали в тот же (или аналогичный) программный интерфейс.
Написание драйвера устройства требует глубокого понимания того, как работает оборудование и программное обеспечение для данной функции платформы . Поскольку драйверам для работы требуется низкоуровневый доступ к аппаратным функциям, драйверы обычно работают в высокопривилегированном окружении и могут вызывать проблемы в работе системы, если что-то пойдет не так. Напротив, большую часть программного обеспечения пользовательского уровня в современных операционных системах можно остановить, не сильно влияя на остальную часть системы. Даже драйверы, работающие в пользовательском режиме, могут привести к сбою системы, если устройство запрограммировано ошибочно . Эти факторы усложняют и усложняют диагностику проблем. [3]
Таким образом, задача написания драйверов обычно ложится на плечи инженеров-программистов или компьютерных инженеров , работающих в компаниях по разработке оборудования. Это связано с тем, что они лучше большинства посторонних осведомлены о конструкции своего оборудования. Более того, традиционно считалось, что в интересах производителя оборудования гарантировать, что его клиенты могут использовать свое оборудование оптимальным образом. Обычно драйвер логического устройства (LDD) пишется поставщиком операционной системы, в то время как драйвер физического устройства (PDD) реализуется поставщиком устройства. Однако в последние годы не-поставщики написали множество драйверов устройств для фирменных устройств, в основном для использования с бесплатными и открытыми операционными системами . В таких случаях важно, чтобы производитель оборудования предоставил информацию о том, как устройство взаимодействует. Хотя эту информацию можно узнать с помощью обратного проектирования , с оборудованием это гораздо сложнее, чем с программным обеспечением.
Microsoft попыталась снизить нестабильность системы из-за плохо написанных драйверов устройств, создав новую структуру для разработки драйверов, называемую Windows Driver Frameworks (WDF). Она включает в себя User-Mode Driver Framework (UMDF), которая поощряет разработку определенных типов драйверов — в первую очередь тех, которые реализуют протокол на основе сообщений для связи со своими устройствами — в качестве драйверов пользовательского режима. Если такие драйверы работают со сбоями, они не вызывают нестабильности системы. Модель Kernel-Mode Driver Framework (KMDF) продолжает разрешать разработку драйверов устройств режима ядра, но пытается предоставить стандартные реализации функций, которые, как известно, вызывают проблемы, включая отмену операций ввода-вывода, управление питанием и поддержку устройств plug and play.
У Apple есть фреймворк с открытым исходным кодом для разработки драйверов для macOS , который называется I/O Kit.
В средах Linux программисты могут создавать драйверы устройств как части ядра , отдельно как загружаемые модули или как драйверы пользовательского режима (для определенных типов устройств, где существуют интерфейсы ядра, например, для USB-устройств). Makedev включает в себя список устройств в Linux, включая ttyS (терминал), lp ( параллельный порт ), hd (диск), loop и звук (к ним относятся микшер , секвенсор , dsp и аудио). [4]
Файлы Microsoft Windows .sys и файлы Linux .ko могут содержать загружаемые драйверы устройств. Преимущество загружаемых драйверов устройств в том, что их можно загружать только при необходимости, а затем выгружать, тем самым экономя память ядра.
В зависимости от операционной системы драйверам устройств может быть разрешено работать на различных уровнях привилегий . Выбор уровня привилегий драйверов во многом определяется типом ядра , используемого операционной системой. Операционная система, использующая монолитное ядро , например, ядро Linux , обычно запускает драйверы устройств с теми же привилегиями, что и все другие объекты ядра. Напротив, система, разработанная вокруг микроядра , например, Minix , размещает драйверы как процессы, независимые от ядра, но использующие его для основных функций ввода-вывода и для передачи сообщений между пользовательскими программами и друг другом. [5] В Windows NT , системе с гибридным ядром , драйверы устройств обычно работают либо в режиме ядра , либо в режиме пользователя . [6]
Наиболее распространенным механизмом разделения памяти на различные уровни привилегий является использование защитных колец . Во многих системах, например, с процессорами x86 и ARM , переключение между кольцами приводит к снижению производительности, фактор, который разработчики операционных систем и инженеры встроенного программного обеспечения учитывают при создании драйверов для устройств, которые предпочтительно запускать с низкой задержкой, например, сетевых карт . Основным преимуществом запуска драйвера в пользовательском режиме является повышение стабильности, поскольку плохо написанный драйвер устройства пользовательского режима не может вызвать сбой системы путем перезаписи памяти ядра. [7]
Из-за разнообразия современного [обновлять]оборудования и операционных систем драйверы работают во многих различных средах. [8] Драйверы могут взаимодействовать с:
Общие уровни абстракции для драйверов устройств включают в себя:
Поэтому выбор и установка правильных драйверов устройств для данного оборудования часто является ключевым компонентом конфигурации компьютерной системы. [10]
Драйверы виртуальных устройств представляют собой особый вариант драйверов устройств. Они используются для эмуляции аппаратного устройства, особенно в средах виртуализации , например, когда программа DOS запускается на компьютере Microsoft Windows или когда гостевая операционная система запускается, например, на хосте Xen . Вместо того, чтобы позволить гостевой операционной системе взаимодействовать с оборудованием, драйверы виртуальных устройств берут на себя противоположную роль и эмулируют часть оборудования, так что гостевая операционная система и ее драйверы, работающие внутри виртуальной машины, могут иметь иллюзию доступа к реальному оборудованию. Попытки гостевой операционной системы получить доступ к оборудованию направляются драйверу виртуального устройства в операционной системе хоста, например, как вызовы функций . Драйвер виртуального устройства также может отправлять имитированные события на уровне процессора, такие как прерывания, в виртуальную машину.
Виртуальные устройства также могут работать в невиртуализированной среде. Например, виртуальный сетевой адаптер используется с виртуальной частной сетью , а виртуальное дисковое устройство используется с iSCSI . Хорошим примером для драйверов виртуальных устройств может быть Daemon Tools .
Существует несколько вариантов драйверов виртуальных устройств, таких как VxD , VLM и VDD.
Описания часто используемых драйверов устройств в Solaris :
Устройство на шине PCI или USB идентифицируется двумя идентификаторами, каждый из которых состоит из двух байтов . Идентификатор поставщика идентифицирует поставщика устройства. Идентификатор устройства идентифицирует конкретное устройство от этого производителя/поставщика.
Устройство PCI часто имеет пару идентификаторов для основного чипа устройства, а также пару идентификаторов подсистемы, которая идентифицирует поставщика, который может отличаться от производителя чипа.
Устройства часто имеют большое количество разнообразных и настраиваемых драйверов устройств, работающих в ядре их операционной системы (ОС), и часто содержат различные ошибки и уязвимости , что делает их мишенью для эксплойтов . [17] Bring Your Own Vulnerable Driver (BYOVD) использует подписанные старые драйверы, содержащие уязвимости, которые позволяют хакерам вставлять вредоносный код в ядро. [18]
Отсутствуют эффективные инструменты обнаружения уязвимостей ядра, особенно для ОС с закрытым исходным кодом, таких как Microsoft Windows [19] , где исходный код драйверов устройств в основном не является общедоступным (открытый исходный код) [20] , а драйверы часто также имеют много привилегий. [21] [22] [23] [24]
Подобные уязвимости существуют также в драйверах ноутбуков, [25] драйверах для WiFi и Bluetooth, [26] [27] игровых/графических драйверах, [28] и драйверах принтеров. [29]
Группа исследователей безопасности считает отсутствие изоляции одним из основных факторов, подрывающих безопасность ядра , [30] и опубликовала структуру изоляции для защиты ядер операционных систем, в первую очередь монолитного ядра Linux , которое, по их словам, получает около 80 000 коммитов / год для своих драйверов. [31] [32]
Важным соображением при проектировании ядра является поддержка, которую оно обеспечивает для защиты от сбоев ( отказоустойчивость ) и от вредоносного поведения ( безопасность ). Эти два аспекта обычно не различаются четко, и принятие этого различия в проектировании ядра приводит к отказу от иерархической структуры для защиты . [33]
Механизмы или политики, предоставляемые ядром, можно классифицировать по нескольким критериям, включая: статические (применяемые во время компиляции ) или динамические (применяемые во время выполнения ); упреждающие или пост-обнаруживающие; в соответствии с принципами защиты, которым они удовлетворяют (например, Деннинг [34] [35] ); поддерживаются ли они оборудованием или основаны на языке; являются ли они в большей степени открытым механизмом или политикой привязки; и многое другое.Драйверы для контроллеров HP (ранее Compaq) Smart Array, которые обеспечивают аппаратные возможности RAID.
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь ) [ постоянная мертвая ссылка ]Улучшенный модуль связи Gigabaud (GLM) предназначен для выполнения двунаправленной передачи данных между хост-устройством и последовательной средой передачи.