Gerätedatei

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Gerätedatei (von engl. device file) sind spezielle Dateien, die unter fast allen Unix-Derivaten und vielen anderen Betriebssystemen genutzt werden. Sie ermöglichen eine einfache Kommunikation zwischen Userspace-, d.h. zum Beispiel gewöhnlichen Anwenderprogrammen, und dem Kernel bzw. letztlich der Hardware eines Computers bzw. machen diese Kommunikation transparent.

Gerätedateien unter Unix

Die Dateisysteme von unixartigen Betriebssystemen unterscheiden zwischen normalen Dateien und Verzeichnissen, FIFOs, Sockets sowie Blockdateien und Zeichendateien. Während normale Dateien und Verzeichnisse zum Standardfunktionsumfang gewöhnlicher Dateisysteme gehören, spielen bereits named pipes (FIFOs) eine Sonderrolle, zählen aber nicht zu den Gerätedateien. Erst bei den letzten drei Typen handelt es sich um Gerätedateien.

Damit unterscheiden unixartige Betriebssysteme zwischen drei Typen von Gerätedateien:

• character devices: zeichenorientierte Geräte
• block devices: blockorientierte Geräte
• socket devices: socketorientierte Geräte

Zur Erkennung des Types einer (Geräte-)datei eignen sich klassische Unix-Kommandos wie ls oder file. Die Namen der Gerätedateien sind abhängig vom jeweiligen Unix-Derivat.

/dev im Dateisystembrowser Konqueror. Zu sehen sind die Icons der vielen verschiedenen Gerätedateien

Da meist für jedes Gerät eine eigene Gerätedatei existiert, sammelte man bereits in frühen Versionen von Unix diese Dateien im Verzeichnis /dev. Mit dem Filesystem Hierarchy Standard ist dieses Vorgehen standardisiert worden (Solaris speichert sie allerdings unter /devices), ferner ist vorgeschrieben, welche Gerätedateien in diesem Verzeichnis unter welchem Namen existieren müssen (siehe dazu die Listen weiter unten). Moderne Unix-Derivate benutzen oft spezielle (virtuelle) Dateisysteme, um dieses Verzeichnis aktuell zu halten. Unter Linux war dafür lange Zeit devfs populär, mittlerweile sorgt udev für die Verwaltung der Gerätedateien.

Gerätedateien werden als Schnittstelle zwischen Gerätetreibern oder Systemkomponenten und Anwendungsprogrammen, die im Userspace ablaufen, genutzt. So druckt man beispielsweise auf einem LPT-Drucker, der über die parallele Schnittstelle an den Computer angeschlossen ist, in dem man Text direkt in die Gerätedatei /dev/lp0 schreibt. Durch das Konzept der Gerätedateien sind Programme prinzipiell von den Gerätetreibern, die im Kernel agieren, getrennt. Außerdem erscheint die Benutzung eines Gerätes völlig transparent – man muss nicht erst ein spezielles Programm nutzen, sondern kann in eine Datei schreiben, die quasi dem Drucker "entspricht". Dies ermöglicht eine intiutive Benutzung der Hardware.

Das Konzept der Gerätedateien ist eine der Grundlagen für den Unix-Grundsatz Alles ist eine Datei und wurde beispielsweise mit Ansätzen wie dem Derivat Plan9 ausgebaut.

Blockorientierte Geräte

Typisches Icon für block devices

Blockorientierte Geräte übertragen Daten in Datenblöcken und werden daher oft für parallele Datenübertragungen genutzt. Alle diese Geräte nutzen den betriebssystemeigenen Puffer.

Zeichenorientierte Geräte

typisches Icon für char devices

Zeichenorientierte Geräte übertragen nur ein Zeichen (typischerweise ein Byte) zur selben Zeit, sind also der seriellen Datenübertragung zuzusprechen. Meist, aber nicht immer werden Daten ungepuffert, also sofort übertragen.

Die Netzwerkkarten (zum Beispiel Ethernet, ISDN) werden unter Linux nicht über Gerätedateien, sondern über den TCP/IP-Stack angesprochen, gleichwohl existieren oft auch Gerätedateien für Spezialanwendungen wie etwa zur direkten Ansteuerung der Hardware (Netlink Device, D-Channel, etc.).

Socketorientierte Geräte

Bei socketorientierten Dateien handelt es sich nicht um Gerätedateien, sondern eine Form von Interprozesskommunikation. Wie FIFOs sind sie damit keine Gerätedateien, können aber auch zur Kommunikation mit dem Kernel eingesetzt werden und nehmen dabei eine ähnliche Aufgabe wahr wie zeichenorientierte Geräte.

Virtuelle Gerätedateien

Einen Spezialfall stellen die virtuellen Gerätedateien dar. Bei diesen handelt es sich um Gerätedateien, mit denen kein echtes Gerät gesteuert wird. Die zuständige Logik wird dabei im Kernel implementiert.

Verwaltung der Gerätedateien am Beispiel Linux

Zum Erstellen von Gerätedateien dient das linuxspezifische Kommando mknod, welches zum Erstellen einer Gerätedatei die zugehörige Major- und Minornummer benötigt.

Wenn ein Benutzer bei frühen Linux-Versionen einen neuen Treiber installiert hat, so mussten eine oder mehrere Gerätedateien mit diesem mknod-Kommando unter Zuhilfename der Treiberdokumentation zwecks Angabe der notwendigen Major/Minor-Nummer angelegt werden, um die benötigte Schnittstelle zu schaffen. Viele Linux-Distributionen lieferten daher im /dev-Verzeichnisbaum bereits tausende von Gerätedateien mit, unwissend, ob diese jemals benötigt werden würden. Dies war einerseits unübersichtlich, andererseits war es schwierig, automatisch neue Treiber für neue Hardware zu laden, da die Gerätedateien immer manuell gepflegt werden mussten. Gerade einem Endanwender ist diese Aufgabe nicht zu überlassen.

Innerhalb mehrere Jahre und Kernel-Releases wurden so zwei neue Konzepte entwickelt:

devfs

Siehe Hauptartikel devfs

Im Linux-Kernelbaum 2.2 wurde das devfs eingeführt. Die zugrundeliegende Idee war, dass die Kernelmodule selbst Informationen zu den Namen der Gerätedateien, die sie erzeugen, neben den Minor- und Majornummern sowie dem Typ mit sich führen. Dadurch konnte der Kernel erstmals die Erzeugung der Gerätedateien selbst übernehmen.

Die benötigten bzw. vom Kernel und seinen Modulen gestellten Gerätedateien hat der Kernel anschließend automatisch in dem devfs-Dateisystem mit Hilfe des devfsd-Daemons erstellt. Das Dateisystem wurde dabei üblicherweise im Verzeichnis /dev gemountet.

udev

Siehe Hauptartikel udev

Nach reiflicher Überlegung schien das System mit devfs doch zu unflexibel. Gefordert wurde ein System, das beim Einstecken neuer Hardware reagiert (Hotplugging), die entsprechenden Kernelmodule lädt und die Gerätedateien anlegt bzw. beim Ausstecken der Geräte diese wieder entfernt. Zusätzlich sollte es möglich sein, über ein Regelwerk selbst zu definieren, welches Namensschema man für seine Gerätedateien anwenden möchte, wie diese in Unterverzeichnissen strukturiert werden sollen etc.

Mit der Einführung von Kernel 2.6 wurde udev dieses neue Geräteverwaltungskonzept. Ähnlich wie bei devfs gibt es auch hier einen Daemon der im Userspace läuft und die eigentliche Arbeit erledigt. Bei udev kommt jedoch kein eigenes Dateisystem zum Einsatz, außerdem ist notwendige Kernelkomponente deutlich schlanker.

Gerätedateien unter Windows

Auch unter Microsoft Windows gibt es Gerätedateien: Auf sie kann man als Programmierer mittels der Subroutine CreateFile() zugreifen. Der Name einer Gerätedatei hat das Format \\.\NAME. Gerätedateien sind nicht, wie unter Unix, unter gewöhnlichen Verzeichnissen anzutreffen, die Kommunikation erfolgt entsprechend auch nicht (für den Benutzer) transparent. Im Allgemeinen hat man als Benutzer mit der Windows-Shell keine Möglichkeit, mit den Gerätedateien in Berührung zu kommen.

Weblinks

• Major- und Minor-Nummern aus der Dokumentation zur Konfiguration des HP 9000 Rechners (engl.)
• A. Willemer: Wie werde ich UNIX-Guru, daraus Hardwarezugriff unter UNIX: /dev
• Linux Wegweiser zur Installation & Konfiguration, daraus Die Gerätedateien
• Aus dem FreeBSD-Handbook: Devices and Device Nodes (engl.)