Понятие «специальный файл» появилось в операционной системе UNIX. Специальный файл, называемый также виртуальным файлом, связан с некоторым устройством ввода-вывода и представляет его для остальной части операционной системы и прикладных процессов в виде неструктурированного набора байт, то есть в виде обычного файла. Однако в отличие от обычного файла специальный файл не хранит статичные данные, а является интерфейсом к одному из аппаратных драйверов ОС.

Использование специальных файлов во многих случаях существенно упрощает программирование операций с внешними устройствами. Со специальным файлом можно работать так же, как и с обычным, то есть открывать, считывать из него или же записывать в него определенное количество байт, а после завершения операции закрывать. Для этого используются привычные многим программистам системные вызовы для работы с обычными файлами: open, create, read, write и close. Кроме того, имеется несколько системных вызовов, используемых только при работе со специальными файлами, например вызов loctl, с помощью которого можно передать команду контроллеру устройства. Для того чтобы вывести на алфавитно-цифровой терминал, с которым связан специальный файл /dev/tty3, сообщение «Hello, friendsl», достаточно открыть этот файл с помощью системного вызова open:

fd =open (7dev/tty3", 2) 

Затем можно вывести сообщение с помощью системного вызова write:

write (fd, "Hello, friends! ", 15)

Для устройств прямого доступа имеет смысл также указатель текущего положения в файле, которым можно управлять с помощью системного вызова lseek.

Очевидно, что представление устройства в виде файла и использование для управления устройством файловых системных вызовов позволяет выполнять только простые операции управления, которые сводятся к передаче в устройство последовательности байт. Для некоторых устройств такие операции вполне адекватны—в основном это устройства, отображающие строки символов (алфавитно-цифровые терминалы, алфавитно-цифровые принтеры) или принимающие от пользователя строки символов (клавиатура). Форматирование ввода-вывода в устройствах этого класса осуществляется с помощью служебных символов начала кодовой таблицы и их последовательностей, например для перевода строки и возврата каретки принтера или терминала достаточно к последовательности символов текста добавить восьмеричные коды <12> <15>.

Для устройств с более сложной организацией информации, например графических дисплеев, от управляющего интерфейса требуется поддержка более сложных операций, таких как заполнение цветом области или вывод на экран основных графических примитивов, и аппаратные драйверы таких устройств их действительно выполняют. Тем не менее файловый интерфейс, оперирующий только с неструктурированным потоком байт, оказывается полезным и для устройств со сложной организацией информации. Такой интерфейс в силу своей простоты и универсальности дает возможность строить над ним другой, более сложный интерфейс с произвольной организацией.

Файловый интерфейс доступен пользователю, поэтому прикладной программист может воспользоваться им для создания собственного интерфейса к какому-либо устройству, обходя лежащие над аппаратным драйвером данного устройства слои высокоуровневых драйверов. Например, если прикладного программиста по какой-то причине не устраивают файловые системы, поддерживаемые некоторой операционной системой, то он может обратиться к диску как к устройству с помощью интерфейса специального файла, который будет вызывать аппаратный драйвер диска, поддерживающий модель диска в виде последовательности байт (рис. 8.1). С помощью такого аппаратного драйвера прикладной программист может организовать данные в каком-либо разделе диска оригинальным способом, соответствующим его потребностям. При этом ему не нужно разрабатывать высокоуровневый драйвер для собственной файловой системы, что является более сложной задачей по сравнению с разработкой прикладной программы.

Рис. 8.1. Работа с диском как со специальным файлом

В UNIX специальные файлы традиционно помещаются в каталог /dev, хотя ничто не мешает созданию их в любом каталоге файловой системы. При появлении нового устройства и соответственно нового драйвера администратор системы может создать новую запись с помощью команды mknod. Например, следующая команда создает блок-ориентированный специальный файл для представления третьего раздела на втором диске четвертого SCSI-контроллера:

mknod /dev/dsk/scs1 b 32 33

Связь специального файла с драйвером устанавливается за счет информации, находящейся в индексном дескрипторе специального файла.

Во-первых, в индексном дескрипторе хранится признак того, что файл является специальным, причем этот признак позволяет различить класс соответствующего устройству драйвера, то есть он определяет, является ли драйвер байт-ориентированным или блок-ориентированным.

Во-вторых, в индексном дескрипторе хранится адресная информация, позволяющая выбрать нужный драйвер и нужное устройство. Эта информация заменяет стандартную адресную информацию обычного файла, состоящую из номеров блоков файла на диске.

Адресная информация специального файла состоит из двух элементов:

•  major — номер драйвера; 
•  minor — номер устройства.

Значение major (номер драйвера) определяет выбор драйвера, обслуживающего данный специальный файл, а значение minor (номер устройства) передается драйверу в качестве параметра вызова и указывает ему на одно из нескольких однотипных устройств, которыми драйвер может управлять. Например, для дисковых драйверов номер устройства задает не только диск, но и раздел на диске.

В приведенном выше примере команды создания специального файла /dev/dsk/scsi аргумент b определяет создание специального файла для блок-ориентированного драйвера, аргумент 32 определяет номер драйвера, который будет вызываться при открытии устройства /dev/dsk/scsi, а аргумент 33 декодируется самим драйвером (в нем закодированы данные о том, что нужно управлять третьим разделом на втором диске четвертого SCSI-контроллера).

ОС UNIX использует для хранения информации об установленных аппаратных драйверах две системные таблицы:

•  bdevsw — таблица блок-ориентированных драйверов;
•   cdevsw — таблица байт-ориентированных драйверов.

Номер драйвера (major) является индексом соответствующей таблицы. При открытии специального файла операционная система обнаруживает, что она имеет дело со специальным файлом только после того, как прочитает с диска или найдет в системном буфере его индексный дескриптор. При этом она узнает, является ли вызываемый драйвер блок- или байт-ориентированным, после чего использует номер драйвера для обращения к определенной строке одной из двух таблиц: bdevsw или cdevsw (рис. 8.2).

Таблицы bdevsw и cdevsw содержат адреса программных секций драйверов, причем одна строка таблицы описывает один драйвер. Такая организация логической связи между ядром UNIX и драйверами позволяет легко настраивать систему на новую конфигурацию внешних устройств путем модификации таблиц bdevsw и cdevsw.

Концепция специальных файлов ОС UNIX была реализована во многих операционных системах, хотя для связи с драйверами в них часто используются механйзмы, отличные от описанного выше. Так, в OG Windows NT для связи виртуальных устройств (аналогов специальных файлов) с драйверами используется механизм объектов. При этом в объектах-устройствах имеются ссылки на объекты-драйверы, за счет чего при открытии виртуального устройства система находит нужный драйвер.