Arquivo de dispositivo

Em sistemas operacionais, um arquivo de dispositivo, ou arquivo especial, é uma interface para um driver de dispositivo que aparece em um sistema de arquivos como se fosse um arquivo comum. Eles são comumente utilizados em sistemas operacionais do tipo Unix e também são encontrados no MS-DOS, OS/2 e Microsoft Windows. Os arquivos de dispositivo permitem que o software interaja com um driver de dispositivo utilizando as chamadas de sistema (system calls) padronizadas de entrada/saída, o que simplifica muitas tarefas e unifica mecanismos de E/S de espaço do usuário.

Frequentemente, os arquivos de dispositivo são utilizados como simples interfaces para dispositivos periféricos, como impressoras. Mas eles também podem ser usados para o acesso de recursos específicos nestes dispositivos, como partições em um disco. Finalmente, os arquivos de dispositivo são uteís para o acesso a recursos do sistema que não tem conexão com um dispositivo físico, como o /dev/null e geradores de números aleatórios.

Sistemas Unix e do tipo Unix

Uma estrutura simplificada do núcleo do Linux. Sistemas de arquivo são implementados como parte do subsistema de E/S.

Nós de dispositivo correspondem aos recursos que um núcleo de sistema operacional já alocou. O Unix identifica estes recursos por um número maior e um número menor,^[1] ambos armazenados como parte da estrutura de um nó. A designação destes números ocorrem de forma única em diferentes sistemas operacionais e sobre diferentes plataformas de computador. Geralmente, o número maior identifica o controlador (driver) do dispositivo e o menor identifica um dispositivo particular (possivelmente fora de muitos) que o driver controla:^[2] neste caso, o sistema pode passar o número menor ao driver. Entretanto, na presença da alocação de números dinâmica, este pode não ser o caso (e.g. no FreeBSD 5 em diante).

Dispositivos de caractere

Arquivos especiais de caractere ou dispositivos de caractere fornecem acesso direto, e sem buffer, ao dispositivo de hardware. Eles não necessariamente permitem que os programas leiam ou escrevam caracteres individuais de cada vez, pois isso depende do dispositivo em questão. O dispositivo de caractere para um disco rígido, por exemplo, normalmente exigirá que todas as leituras e gravações sejam alinhadas aos limites de bloco e certamente não permitirá a leitura de um único byte.

Os dispositivos de caractere às vezes são conhecidos como dispositivos brutos, para evitar a confusão em torno do fato de que um dispositivo de caractere, para um pedaço de hardware baseado em bloco, normalmente exigirá que os programas leiam e gravem blocos alinhados.

Dispositivos de bloco

Arquivos especiais de bloco ou dispositivos de bloco fornecem acesso armazenado em memória temporária (buffer) para dispositivos de hardware e fornecem alguma abstração de suas especificidades. Diferente de dispositivos de caractere, dispositivos de bloco sempre permitirão ao programador ler e escrever um bloco de qualquer tamanho (incluindo simples caracteres/bytes) e qualquer alinhamento. A desvantagem é que devido aos dispositivos de bloco serem armazenados em memória temporária, o programador não sabe quanto tempo levará antes que os dados escritos sejam passados das memórias temporárias do núcleo para o dispositivo real, ou mesmo em que ordem duas escritas separadas chegarão ao dispositivo físico. Além disso, se o mesmo hardware expõe tanto dispositivos de caractere quanto em bloco, há um risco de corrupção de dados devido aos clientes que utilizam o dispositivo de caractere não terem o conhecimento das alterações feitas na memória temporária (buffer) do dispositivo de bloco.

A maioria dos sistemas criam tanto dispositivos de bloco quanto de caractere para representar o hardware, como discos rígidos. O FreeBSD e o Linux notavelmente não fazem isso. O FreeBSD removeu o suporte para dispositivos de bloco, enquanto o Linux cria apenas dispositivos de bloco. No Linux, para obter um dispositivo de caractere para um disco deve-se usar o controlador (driver) "nativo" (raw), assim pode-se obter o mesmo efeito que abrir um dispositivo de caractere abrindo-se o dispositivo de bloco com a flag específica do Linux 0_DIRECT.

Pseudo-dispositivos

Os nós de dispositivos em sistemas do tipo Unix não precisam necessariamente corresponder a dispositivos físicos. Os nós que não possuem essa correspondência formam o grupo de pseudo-dispositivos. Eles fornecem várias funções gerenciadas pelo sistema operacional. Alguns dos pseudo-dispositivos mais usados (baseados em caracteres) incluem:

• /dev/null - aceita e descarta todas as entradas. Não produz saída (sempre retorna uma indicação de fim de arquivo em uma leitura)
• /dev/zero - aceita e descarta todas as entradas. Produz um fluxo contínuo de bytes NUL (valor zero)
• /dev/full - produz um fluxo contínuo de bytes NUL (valor zero) quando lido e retorna uma mensagem "disco cheio" quando escrito
• /dev/random e /dev/urandom - eles produzem um fluxo de comprimento variável de números pseudo-aleatórios

devfs

devfs é uma implementação específica de um sistema de arquivos de dispositivo em sistemas operacionais do tipo Unix, usada para apresentar arquivos de dispositivo. O mecanismo subjacente de implementação pode variar dependendo do SO.

Manter esses arquivos especiais em um sistema de arquivos implementado fisicamente (por exemplo, disco rígido) é inconveniente, e como ele precisa da assistência do kernel de qualquer maneira, a ideia surgiu de um sistema de arquivos lógico de propósito especial que não é armazenado fisicamente.

Definir, também, quando os dispositivos estão prontos para aparecer não é totalmente trivial. A abordagem 'devfs' é para o driver de dispositivo solicitar a criação e a exclusão de entradas 'devfs' relacionadas aos dispositivos que ele ativa e desativa.

Implementações

Sistema Operacional	Sistema de arquivos ou software de gerenciamento	Ponto de montagem padrão	Autor	Observações
Linux 2.3.46pre5–2.6.17	devfsd	/dev	Richard Gooch	Implementado completamente no núcleo. Obsoleto - os usuários são encorajados a migrarem para o udev e/ou devtmpfs.
Linux 2.5–	udev em qualquer sistema de arquivos, mas normalmente em tmpfs	/dev	Greg Kroah-Hartman, Kay Sievers e Dan Stekloff	Implementado amplamente no espaço do usuário, as informações de dispositivo são reunidas a partir do sysfs. Arquivos de dispositivo podem ser armazenados em um sistema de arquivos de propósito geral, ou em um sistema de arquivos em memória (tmpfs).
Linux 2.6.32–	devtmpfs com ou sem udev	/dev	Kay Sievers, Jan Blunck, Greg Kroah-Hartman	Uma abordagem híbrida do kernel/espaço do usuário de um sistema de arquivos de dispositivo para fornecer nós antes do udev ser executado pela primeira vez[3]
Solaris		/devices	Sun Microsystems	Introduzido com controladores (drivers) carregados dinamicamente no Solaris-2.1
FreeBSD 2.0–	devfs	/dev	Poul-Henning Kamp	Implementado completamente no núcleo.
DragonFly BSD 2.3.2–	devfs	/dev	Alex Hornung	Implementado completamente no núcleo.
macOS	devfs	/dev	Apple Inc.	Implementado completamente no núcleo.
HP-UX B.11.31	devfs	/dev	HP	Implementado completamente no núcleo.
Plan 9		#	Bell Labs	Implementado no núcleo.
RISC OS	DeviceFS	Devices:	Acorn Computers	O DeviceFS foi iniciado em 1991[4] e apareceu pela primeira vez no RISC OS 3. Ele gerencia vários dispositivos, como arquivos especiais, mais comumente: Paralelo, Serial, FastParallel e USB. O módulo SystemDevices implementa os pseudo-dispositivos, como: Vdu, Kbd, Null e Printer.
MS-DOS, PC DOS, DR-DOS	FAT	\DEV (e /DEV)	vários	Conforme implementado no núcleo, os dispositivos de caracteres aparecem no diretório virtual \DEV e em qualquer diretório de disco. No MS-DOS/PC DOS 2.x, a diretiva CONFIG.SYS AVAILDEV=FALSE pode ser usada para forçar a existência de dispositivos somente em DEV.
MagiC, MiNT, MultiTOS		U:\DEV[5][6]	Application Systems Heidelberg, Eric R. Smith, Atari Corp.	A unidade especial U: contem um diretório DEV virtual, dentro do qual pode-se encontrar arquivos de dispositivo.
Windows 9x		\\devices\	Microsoft
Windows NT		\\.\	Microsoft	O prefixo \\.\ faz com que as APIs de suporte acessem o espaço de nomes do dispositivo Win32 em vez do espaço de nomes do arquivo Win32. O espaço de nomes do dispositivo Win32, em si, vive em \Devices no espaço de nomes do NT.

MS-DOS

O MS-DOS emprestou o conceito de arquivos especiais do Unix, mas os renomeou para dispositivos.^[7] Devido ao fato de versões antigas do MS-DOS não suportarem hierarquia de diretórios, os dispositivos eram diferenciados dos arquivos regulares pelo uso de palavras reservadas para nomeá-los. Isto significa que certos nomes de arquivo são reservados para dispositivos, e não devem ser utilizados para nomear arquivos ou diretórios.^[8]

Os nomes reservados, por sua vez, foram criados para serem compatíveis com a manipulação de "arquivos especiais" por parte do comando PIP no CP/M.

Havia dois tipos de dispositivos no MS-DOS: Dispositivos de Bloco (usados para unidades de disco) e Dispositivos de Caractere (geralmente todos os outros dispositivos, incluindo dispositivos COM e PRN).^[9] O PIPE, MAILSLOT e MUP são outros padrões de dispositivos do Windows.^[10]

DOS, TOS, OS/2 e Windows

Um arquivo de dispositivo é uma palavra-chave reservada usada nos sistemas DOS, TOS, OS/2 e Microsoft Windows para permitir acesso a certas portas e dispositivos.

O DOS usa arquivos de dispositivo para acessar impressoras e portas. A maioria das versões do Windows também contem este suporte, que pode causar confusão ao tentar criar arquivos e pastas de determinados nomes, quando eles não puderem possuir esses nomes.^[11] As versões 2.x do MS-DOS fornecem o parâmetro AVAILDEV do CONFIG.SYS que, se definido como FALSE, torna esses nomes especiais ativos apenas se prefixados com \DEV\, permitindo assim que arquivos ordinários sejam criados com esses nomes.^[12]

O GEMDOS, a parte derivada do DOS do Atari TOS, suportava nomes de dispositivos similares ao DOS, porém, diferente do DOS, era necessário um caractere ":" (no DOS, isto é opcional) para identificá-los como dispositivos, em oposição aos nomes de arquivos normais (desta forma, "CON:" funcionaria tanto no DOS quando no TOS, mas "CON" poderia nomear um arquivo ordinário no TOS, mas nomearia o dispositivo de console no DOS). No MiNT e no MagiC, uma visão especial do sistema de arquivos unificado do tipo Unix, acessada por meio da letra de unidade "U:", também colocava arquivos de dispositivo em "U:\DEV".

Alguns dos arquivos de dispositivo são listados abaixo:

Nome do arquivo	propósito
CON	dispositivo de console
PRN	impressora
AUX	Dispositivo auxiliar
COM0 COM1 COM2 COM3 COM4 COM5 COM6 COM7 COM8 COM9	portas seriais
LPT1 LPT2 PRN	portas paralelas
NUL	Bit bucket

Uma palavra reservada não pode sequer ser utilizada como extensão de arquivo, os nomes de arquivo "nul.doc" e "con.html" são inválidos. Isto acaba confundindo usuários leigos e aborrecendo usuários técnicos.

A documentação da Microsoft se refere aos "arquivos de dispositivo MS-DOS" mesmo no sistema Windows NT, que não é baseado no MS-DOS.

Referências

1. Brian W. Kernighan; Rob Pike (1984). The UNIX Programming Environment. [S.l.]: Prentice-Hall. p. 66. ISBN 0-13-937681-X
2. Neil Brown (27 de outubro de 2010). «Ghosts of Unix Past: a historical search for design patterns». LWN.net. Consultado em 30 de março de 2014
3. «Driver Core: devtmpfs - kernel-maintained tmpfs-based /dev». LWN. Consultado em 10 de agosto de 2009
4. «Project Black change log». Consultado em 15 de maio de 2016
5. «The drive U: in MagiC». 28 de março de 2016. Consultado em 9 de janeiro de 2017. Cópia arquivada em 15 de janeiro de 2017
6. «FreeMiNT-Portal - mint.doc». 27 de abril de 2000. Consultado em 9 de janeiro de 2017. Cópia arquivada em 15 de janeiro de 2017
7. «Windows for Workgroups: How VSHARE.386 Manages File Sharing». Support.microsoft.com. 22 de setembro de 1999. Consultado em 22 de janeiro de 2014
8. «Avoid Creating Macintosh Filenames that are NT Device Names». Support.microsoft.com. 1 de novembro de 2006. Consultado em 22 de janeiro de 2014
9. «device attributes». Stanislavs.org. Consultado em 22 de janeiro de 2014
10. «REG: CurrentControlSet Entries PART 2: SessionManager». Support.microsoft.com. 1 de novembro de 2006. Consultado em 22 de janeiro de 2014
11. «MS-DOS Device Driver Names Cannot be Used as File Names». Microsoft. 12 de maio de 2003. Consultado em 1 de maio de 2008
12. «Undocumented Commands». 4dos.info. Kevtronics. 12 de abril de 2002. Consultado em 16 de maio de 2014

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