本章是對正常運行的Linux系統中內核提供的設備基礎設施的基本考察。縱觀Linux的歷史，在內核如何向用戶展示設備方面已經有了許多變化。我們將從傳統的設備文件系統開始，看看內核如何通過sysfs提供設備配置信息。我們的目標是能夠提取系統中的設備信息，以便瞭解一些基本的操作。後面的章節將更詳細地介紹與特定類型設備的交互。
瞭解當出現新設備時，內核如何與用戶空間進行交互是很重要的。udev系統使用戶空間的程式能夠自動配置和使用新設備。你將看到內核如何通過udev向用戶空間進程發送消息的基本工作原理，以及該進程如何處理這些消息。

3.1 設備文件

操作Unix系統中的大多數設備是很容易的，因為內核將許多設備的I/O介面以文件形式呈現給用戶進程。這些設備文件有時被稱為設備節點。除了程式員使用常規的文件操作來處理設備外，一些設備也可以被像cat這樣的標準程式訪問。然而，你能用文件介面做的事情是有限的，所以不是所有的設備或設備功能都能用標準的文件I/O訪問。

設備文件在/dev目錄下，運行ls /dev可以看到/dev中的相當多的文件。那麼，你是如何處理設備的呢？

$ echo blah blah > /dev/null

就像其他帶有重定向輸出的命令一樣，這個命令將標準輸出中的內容發送到文件中。然而，這個文件是/dev/null，是一個設備，所以內核繞過了通常的文件操作，對寫入這個設備的數據使用了設備驅動程式。在/dev/null的情況下，內核只是接受了輸入的數據並將其丟棄。
要識別一個設備並查看其許可權，可以使用ls -l。下麵是一些例子：

$ ls -l
brw-rw---- 1 root disk 8, 1 Sep 6 08:37 sda1
crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Sep 6 08:37 null
prw-r-r-- 1 root root 0 Mar 3 19:17 fdata
srw-rw-rw- 1 root root 0 Dec 18 07:43 log

註意每一行的第一個字元（文件模式的第一個字元）。如果這個字元是b、c、p或s，則該文件是一個設備。這些字母分別代表塊、字元、管道和套接字：

• 塊設備
  程式以固定的塊來訪問塊設備的數據。前面例子中的sda1是一個磁碟設備，是塊設備的一種類型。磁碟可以很容易地被分割成數據塊。因為塊設備的總大小是固定的，並且容易索引，程式在內核的幫助下可以快速隨機訪問設備中的任何塊。

• 字元設備
  字元設備與數據流一起工作。你只能從字元設備中讀取字元或向字元設備中寫入字元，就像前面用/dev/null演示的那樣。字元設備沒有大小之分；當你從設備中讀出或寫入時，內核通常對它進行讀或寫操作。直接連接到你的電腦上的印表機是由字元設備表示的。值得註意的是，在字元設備的交互過程中，內核在將數據傳遞給設備或進程後，不能備份和重新檢查數據流。

• 管道設備
  命名的管道就像字元設備，在I/O流的另一端是另一個進程，而不是內核驅動。

• 套接字設備
  套接字是特殊用途的介面，經常用於進程間通信。它們經常在/dev目錄之外被髮現。套接字文件代表Unix域套接字；你將在第10章中瞭解更多關於這些套接字的信息。
  在來自ls -l的塊和字元設備的文件列表中，日期前面的數字是主要和次要的設備號，內核用它來識別設備。類似的設備通常有相同的主設備號，比如sda3和sdb1（都是硬碟分區）。

註意
不是所有的設備都有設備文件，因為塊和字元設備的I/O介面不是在所有情況下都合適。例如，網路介面沒有設備文件。理論上，使用單一的字元設備與網路介面交互是可能的，但是由於這很困難，內核提供了其他的I/O介面。

3.2 sysfs設備路徑

傳統的Unix的/dev目錄是一種方便的方式，用戶進程可以引用和連接內核支持的設備，但這也是一種非常簡單的方案。在/dev中的設備名稱告訴你關於該設備的一些情況，但通常不夠有用。另一個問題是，內核是按照找到設備的順序來分配設備的，所以設備在重啟之間可能有不同的名字。

為了提供基於實際硬體屬性的附加設備的統一視圖，Linux內核通過文件和目錄系統提供sysfs介面。設備的基本路徑是/sys/devices。例如，位於/dev/sda的SATA硬碟在sysfs中可能有如下路徑：

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:17.0/ata3/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda

你可以看到，與/dev/sda文件名相比，這個路徑相當長，它也是一個目錄。但你不能真正比較這兩個路徑，因為它們有不同的目的。/dev文件使用戶進程能夠使用設備，而/sys/devices路徑是用來查看信息和管理設備的。如果你列出設備路徑的內容，比如前面的那個，你會看到類似下麵的內容：

alignment_offset  discard_alignment  holders   removable  size       uevent
bdi               events             inflight  ro         slaves
capability        events_async       power     sda1       stat
dev               events_poll_msecs  queue     sda2       subsystem
device            ext_range          range     sda5       trace

這裡的文件和子目錄主要是供程式而不是人閱讀的，但是你可以通過查看/dev文件這樣的例子來瞭解它們包含和代表的內容。在這個目錄下運行cat dev會顯示數字8:0，這恰好是/dev/sda的主設備號和次設備號。
在/sys目錄下有一些快捷方式。例如，/sys/block應該包含一個系統上所有可用的塊設備。然而，這些只是符號鏈接；你應該運行ls -l /sys/block來顯示真正的sysfs路徑。
要在/dev中找到一個設備的sysfs位置可能很困難。使用如下的udevadm命令來顯示路徑和其他一些有趣的屬性：

$ udevadm info --query=all --name=/dev/sda

你會在第3.5節找到更多關於udevadm和整個udev系統的細節。

3.3 dd和設備

當你在處理塊和字元設備時，dd程式是非常有用的。它的唯一功能是從輸入文件或流中讀出，然後寫到輸出文件或流中，在這個過程中可能會進行一些編碼轉換。對於塊設備來說，dd的特別有用的功能是，你可以在文件的中間處理一大塊數據，而忽略之前或之後的內容。

警告：
dd的功能非常強大，所以當你運行它時，請確保你知道你在做什麼。如果不小心犯了錯誤，很容易損壞設備上的文件和數據。如果你不確定它將會做什麼，通常可以將輸出寫入一個新的文件。
dd以固定大小的塊複製數據。下麵是如何在字元設備上使用dd，利用一些常見的選項：

$ dd if=/dev/zero of=new_file bs=1024 count=1

正如你所看到的，dd的選項格式與大多數其他Unix命令的選項格式不同；它是基於舊的IBM工作控制語言（JCL）風格。你不是用破折號（-）來表示一個選項，而是用等號（=）來命名一個選項並設置其值。前面的例子從/dev/zero複製了一個1,024位元組的塊（一個連續的零位元組流）到new_file。
這些是重要的dd選項：

• if=file 輸入文件。預設是標準輸入。
• of=file 輸出文件。預設是標準輸出。
• bs=size 區塊大小。dd一次讀寫這麼多位元組的數據。為了縮寫大塊的數據，你可以用b和k分別表示512和1024個位元組。因此，前面的例子可以讀取bs=1k，而不是bs=1024。
• ibs=size, obs=size 輸入和輸出塊的大小。如果你能對輸入和輸出使用相同的塊大小，請使用bs選項；如果不能，請對輸入和輸出分別使用ibs和obs。
• count=num 要複製的塊的總數。當處理巨大的文件時，或者處理提供無盡數據流的設備，比如/dev/zero，你希望dd在固定的點上停止；否則，你可能會浪費大量的磁碟空間、CPU時間，或者兩者都浪費。使用count和跳過參數，從大文件或設備中複製一小段。
• skip=num 跳過輸入文件或數據流中的第一個num塊，不把它們複製到輸出。

3.4 設備名稱摘要

有時很難找到設備的名稱（例如，在給磁碟分區時）。這裡有幾個方法可以找出它是什麼：

• 用udevadm查詢udevd（見第3.5節）。

• 在/sys目錄下尋找設備。

• 從journalctl -k命令（列印內核信息）或內核系統日誌（見第7.1節）的輸出中猜測其名稱。這個輸出可能包含了對你系統中設備的描述。

• 對於系統已經可見的磁碟設備，你可以檢查mount命令的輸出。

• 運行cat /proc/devices來查看你的系統目前有驅動的塊和字元設備。每一行都包括編號和名稱。數字是設備的主要編號，如第3.1節所述。如果你能從名稱中猜出設備，在/dev中尋找具有相應主要編號的字元或塊設備，你就找到了設備文件。

在這些方法中，只有第一個方法是可靠的，但它確實需要udev。如果你遇到udev不可用的情況，可以嘗試其他方法，但要記住，內核可能沒有適合你的硬體的設備文件。
下麵的章節列出了最常見的Linux設備和它們的命名規則。

3.4.1 硬碟： /dev/sd*

大多數連接到當前Linux系統的硬碟對應於帶有sd首碼的設備名，比如/dev/sda，/dev/sdb，等等。這些設備代表整個磁碟；內核為磁碟上的分區製作單獨的設備文件，如/dev/sda1和/dev/sda2。
這個命名規則需要解釋一下。名稱中的sd部分代表SCSI磁碟。小型電腦系統介面（SCSI）最初是作為一種硬體和協議標準開發的，用於磁碟和其他外圍設備等設備之間的通信。雖然傳統的SCSI硬體在大多數現代機器中沒有使用，但由於SCSI協議的適應性，它無處不在。例如，USB存儲設備使用它進行通信。SATA（串列ATA，PC上常見的存儲匯流排）磁碟上的情況要複雜一些，但Linux內核在與它們交談時，仍然在一定程度上使用SCSI命令。
要列出你系統上的SCSI設備，可以使用一個工具來行走由sysfs提供的設備路徑。其中一個最簡潔的工具是lsscsi。當你運行它時，你可以看到以下內容：

$ lsscsi
[0:0:0:0]1  disk2  ATA     WDC WD3200AAJS-2  01.0  /dev/sda3
[2:0:0:0]    disk    FLASH   Drive UT_USB20    0.00  /dev/sdb

第一列標識了系統中設備的地址，第二列描述了它是什麼類型的設備，最後一列3出在哪裡可以找到設備文件。其他的都是廠商信息。
Linux按照其驅動程式遇到設備的順序將設備分配給設備文件。所以，在前面的例子中，內核首先找到了磁碟，其次才是快閃記憶體驅動器。
不幸的是，當你重新配置硬體時，這種設備分配方案歷來會引起問題。舉例來說，你有一個有三個磁碟的系統： /dev/sda，/dev/sdb，和/dev/sdc。如果/dev/sdb爆炸了，你必須把它移走，以便機器能夠重新工作，那麼以前的/dev/sdc就會移到/dev/sdb上，而不再有/dev/sdc了。如果你直接參考fstab文件中的設備名稱（見第4.2.8節），你就必須對該文件做一些修改，以便使事情（大部分）恢復正常。為瞭解決這個問題，許多Linux系統使用通用唯一標識符（UUID；見第4.2.4節）和/或邏輯捲管理器（LVM）來穩定磁碟設備映射。
關於如何在Linux系統上使用磁碟和其他存儲設備，本文的討論幾乎沒有觸及錶面。關於使用磁碟的更多信息，見第4章。在本章的後面，我們將研究SCSI支持在Linux內核中是如何工作的。

3.4.2 虛擬磁碟： /dev/xvd, /dev/vd

一些磁碟設備為虛擬機進行了優化，如AWS實例和VirtualBox。Xen虛擬化系統使用/dev/xvd首碼，而/dev/vd是一種類似的類型。

3.4.3 非易失性記憶體設備： /dev/nvme*

一些系統現在使用非易失性記憶體快車（NVMe）介面來與某些類型的固態存儲進行對話。在Linux中，這些設備顯示在/dev/nvme*。你可以使用nvme list命令來獲得你系統上這些設備的列表。

3.4.4 設備映射器： /dev/dm-, /dev/mapper/

在一些系統上，比磁碟和其他直接塊存儲更高級別的是LVM，它使用一個叫做設備映射器的內核系統。如果你看到以/dev/dm-開頭的塊設備和/dev/mapper的符號鏈接，你的系統可能使用了它。你將在第4章中瞭解這一切。

3.4.5 CD和DVD驅動器： /dev/sr*

Linux將大多數光存儲驅動器識別為SCSI設備/dev/sr0、/dev/sr1，等等。然而，如果驅動器使用舊的介面，它可能會顯示為一個PATA設備，如下所述。/dev/sr*設備是只讀的，它們只用於從磁碟上讀取。對於光學設備的寫入和重寫能力，你將使用 "通用 "SCSI設備，如/dev/sg0。

3.4.6 PATA硬碟： /dev/hd*

PATA（Parallel ATA）是一種較早的存儲匯流排。Linux塊設備/dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc和/dev/hdd在舊版本的Linux內核和舊硬體上很常見。這些是基於介面0和1的設備對的固定分配。 有時，你可能會發現SATA驅動器被識別為這些磁碟之一。這意味著該SATA驅動器在相容模式下運行，這阻礙了性能。檢查你的BIOS設置，看看你是否可以將SATA控制器切換到其原始模式。

3.4.7 終端： /dev/tty, /dev/pts/, 和 /dev/tty

終端是在用戶進程和I/O設備之間移動字元的設備，通常用於向終端屏幕輸出文字。終端設備介面可以追溯到很久之前，當時的終端是基於打字機的設備，很多都是連接在一臺機器上的。
大多數終端是偽終端設備，是理解真正終端的I/O特性的模擬終端。內核不是與真正的硬體對話，而是將I/O介面呈現給軟體，例如你可能在其中輸入大部分命令的shell終端視窗。
兩個常見的終端設備是/dev/tty1（第一個虛擬控制台）和/dev/pts/0（第一個偽終端設備）。/dev/pts目錄本身是一個專門的文件系統。
/dev/tty設備是當前進程的控制終端。如個程式當前正在從終端讀寫，這個設備就是該終端的同義詞。進程不需要連接到終端。

• 顯示模式和虛擬控制台

Linux有兩種主要的顯示模式：文本模式和圖形模式（第14章介紹了使用這種模式的視窗系統）。儘管Linux系統傳統上是以文本模式啟動的，但現在大多數發行版使用內核參數和臨時圖形顯示機制（bootsplashes，如plymouth）來完全隱藏系統啟動時的文本模式。在這種情況下，系統會在啟動過程接近尾聲時切換到全圖形模式。
Linux支持虛擬控制台來複用顯示。每個虛擬控制台可以在圖形或文本模式下運行。當處於文本模式時，你可以通過ALT功能鍵組合在控制台之間進行切換--例如，ALT-F1會帶你到/dev/tty1，ALT-F2會到/dev/tty2，以此類推。許多這樣的虛擬控制台可能被運行登錄提示的getty進程所占據，如第7.4節所述。

在圖形模式下使用的虛擬控制台略有不同。除非被指示使用一個特定的虛擬控制台，否則圖形環境會接管空閑的虛擬控制台，而不是從初始配置中獲得一個虛擬控制台的分配。例如，如果你有getty進程在tty1和tty2上運行，新的圖形環境會占用tty3。此外，一旦進入圖形模式，你通常必須按CTRL-ALT-功能鍵組合來切換到另一個虛擬控制台，而不是更簡單的ALT-功能鍵組合。
所有這些的結果是，如果你想在系統啟動後看到你的文本控制台，按CTRL-ALT-F1。要返回到圖形環境，按ALT-F2、ALT-F3，以此類推，直到你進入圖形環境。

註意：有些發行版在圖形模式下使用tty1。在這種情況下，你將需要嘗試其他控制台。

如果你在切換控制台時由於輸入機制的故障或其他情況而遇到麻煩，你可以嘗試用chvt命令強迫系統改變控制台。例如，要切換到tty1，以root身份運行以下命令：

# chvt 1

3.4.8 串列埠： /dev/ttyS, /dev/ttyUSB, /dev/ttyACM*

較早的RS-232類型和類似的串列埠被表示為真正的終端設備。你不能在命令行上對串口設備做很多事情，因為有太多的設置需要擔心，比如波特率和流量控制，但是你可以使用screen命令，通過添加設備路徑作為參數來連接到終端。你可能需要該設備的讀寫許可權；有時你可以通過將自己添加到特定的組（如dialout）來實現。
在Windows上被稱為COM1的埠是/dev/ttyS0；COM2是/dev/ttyS1；以此類推。插入式USB串列適配器顯示為USB和ACM，名稱為/dev/ttyUSB0、/dev/ttyACM0、/dev/ttyUSB1、/dev/ttyACM1，等等。
一些涉及到串列埠的最有趣的應用是基於微控制器的板子，你可以把它插入你的Linux系統進行開發和測試。例如，你可以通過USB串列介面訪問CircuitPython板的控制台和讀-評-印迴圈。你所需要做的就是插上一個，尋找設備（通常是/dev/ttyACM0），然後用屏幕連接到它。

3.4.9 並行埠： /dev/lp0和/dev/lp1

單向並口設備/dev/lp0和/dev/lp1代表著一種介面類型，在很大程度上已經被USB和網路所取代，在Windows中對應於LPT1：和LPT2：。你可以用cat命令將文件（如要列印的文件）直接發送到並口，但你可能需要在之後給印表機一個額外的進紙或複位。像CUPS這樣的列印伺服器在處理與印表機的交互方面要好得多。
雙向的並行埠是/dev/parport0和/dev/parport1。

3.4.10 音頻設備： /dev/snd/*, /dev/dsp, /dev/audio, 以及更多

Linux有兩套音頻設備。有獨立的設備用於高級Linux聲音架構(ALSA)系統介面和較早的開放聲音系統(OSS)。ALSA設備在/dev/snd目錄下，但很難直接使用它們。使用ALSA的Linux系統支持OSS的後向相容設備，如果目前載入了OSS的內核支持。
對OSS的dsp和音頻設備可以進行一些基本的操作。例如，電腦會播放你發送到/dev/dsp的任何WAV文件。然而，由於頻率不匹配，硬體可能做不到你期望的那樣。此外，在大多數系統上，該設備往往在你登錄後就開始忙碌。

註意：由於涉及到許多層次，Linux的聲音是一個混亂的主題。我們只談了內核級的設備，但通常還有用戶空間的伺服器，如 pulseaudio，管理來自不同來源的音頻，作為聲音設備和其他用戶空間進程之間的中介。

3.4.11 創建設備文件

在任何合理的最近的Linux系統上，你都不會創建自己的設備文件；它們是由devtmpfs和udev創建的（見第3.5節）。然而，看看如何創建設備文件是很有意義的，在罕見的情況下，你可能需要創建命名的管道或套接字文件。
mknod命令創建設備。你必須知道設備的名稱以及它的主號和次號。例如，創建/dev/sda1只需使用下麵的命令：

# mknod /dev/sda1 b 8 1

b 8 1指定了一個主數為8、次數為1的塊設備。對於字元或命名的管道設備，使用c或p而不是b（對於命名的管道，省略主要和次要數字）。
在舊版本的Unix和Linux中，維護/dev目錄是一個挑戰。隨著每一次重要的內核升級或驅動程式的增加，內核可以支持更多種類的設備，這意味著將有一組新的主要和次要數字被分配給設備文件名。為瞭解決這個維護難題，每個系統都有一個MAKEDEV程式，在/dev中創建設備組。當你升級你的系統時，你將試圖找到MAKEDEV的更新，然後運行它以創建新的設備。
這個靜態的系統變得很難看，所以一個替換是必要的。解決這個問題的第一個嘗試是devfs，一個內核空間的/dev實現，包含了當前內核支持的所有設備。然而，有一些限制，這導致了udev和devtmpfs的發展。

3.5 udev

我們已經談到了內核中不必要的複雜性是很危險的，因為你太容易引入系統的不穩定性。設備文件管理就是一個例子：你可以在用戶空間創建設備文件，那麼你為什麼要在內核中這樣做？Linux內核可以在檢測到系統中的新設備時（例如，當有人安裝了U盤時）向udevd的用戶空間進程發送通知。這個udevd進程可以檢查新設備的特性，創建設備文件，然後執行任何設備初始化。

註意：你幾乎肯定會看到udevd以systemd-udevd的形式在你的系統上運行，因為它是你將在第六章看到的啟動機制的一部分。

這就是理論。不幸的是，這種方法有一個問題--設備文件在啟動過程的早期是必需的，所以udevd也必須提前啟動。但是為了創建設備文件，udevd不能依賴於任何它應該創建的設備，它需要非常快速地執行其初始啟動，這樣系統的其他部分就不會因為等待udevd的啟動而被耽擱。

3.5.1 devtmpfs

devtmpfs文件系統是為瞭解決啟動過程中的設備可用性問題而開發的（關於文件系統的更多細節，見第4.2節）。這個文件系統類似於較早的devfs支持，但有所簡化。內核在必要時創建設備文件，但它也會通知udevd新的設備是可用的。收到這個信號後，udevd不會創建設備文件，但它會執行設備初始化，同時設置許可權並通知其他進程新設備可用。此外，它在/dev中創建一些符號鏈接，以進一步識別設備。你可以在/dev/disk/by-id目錄下找到例子，每個連接的磁碟都有一個或多個條目。

例如，考慮典型的磁碟（連接在/dev/sda）和它在/dev/disk/by-id中的分區的鏈接：

$ ls -l /dev/disk/by-id
lrwxrwxrwx 1 root root  9 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 -> ../../sda
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part1 ->
../../sda1
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part2 ->
../../sda2
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part5 ->
../../sda5

udevd進程按介面類型命名鏈接，然後按製造商和型號信息、序列號和分區（如果適用）命名。

註意：devtmpfs中的 "tmp "表示文件系統駐留在主記憶體中，具有用戶空間進程的讀/寫能力；這個特性使udevd能夠創建這些符號鏈接。我們將在第4.2.12節看到更多細節。

但udevd如何知道要創建哪些符號鏈接，以及如何創建它們？下一節將描述udevd是如何工作的。然而，你不需要知道這些或本章中的任何其他材料來繼續閱讀本書。事實上，如果這是你第一次研究Linux設備，我們強烈建議你跳到下一章，開始學習如何使用磁碟。

udevd的操作和配置

udevd守護進程的運作方式如下：

• 內核通過內部網路鏈接向udevd發送通知事件，稱為uevent。
• udevd載入uevent中的所有屬性。
• udevd解析其規則，根據這些規則過濾和更新uevent，並採取相應的行動或設置更多屬性。
  udevd從內核收到的傳入的uevent可能是這樣的（你會在第3.5.4節學習如何用udevadm monitor --property命令獲得這個輸出）：

ACTION=change
DEVNAME=sde
DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb1/1-1/1-1.2/1-1.2:1.0/host4/
target4:0:0/4:0:0:3/block/sde
DEVTYPE=disk
DISK_MEDIA_CHANGE=1
MAJOR=8
MINOR=64
SEQNUM=2752
SUBSYSTEM=block
UDEV_LOG=3

這個特殊的事件是對設備的改變。在接收到uevent後，udevd知道了設備的名稱、sysfs設備路徑和其他一些與屬性相關的屬性；它現在準備開始處理規則。
規則文件在/lib/udev/rules.d和/etc/udev/rules.d目錄下。/lib中的規則是預設的，而/etc中的規則是重寫的。對規則的全面解釋會很乏味，你可以從udev(7)手冊中瞭解更多，但這裡有一些關於udevd如何讀取規則的基本信息：

• udevd從規則文件的開始到結束讀取規則。
• 在讀完一條規則並可能執行其動作後，udevd 繼續閱讀當前的規則文件，尋找更多適用的規則。
• 有一些指令（如GOTO）可以在必要時跳過規則文件的部分內容。這些指令通常放在規則文件的頂部，如果它與udevd正在配置的特定設備無關，就跳過整個文件。

讓我們看一下第3.5.1節中/dev/sda例子中的符號鏈接。這些鏈接是由/lib/udev/rules.d/60-persistent-storage.rules中的規則定義的。在裡面，你會看到以下幾行：

# ATA
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi", ATTRS{vendor}=="ATA", IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"

# ATAPI devices (SPC-3 or later)
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi", ATTRS{type}=="5",ATTRS{scsi_level}=="[6-9]*", IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"

這些規則與通過內核的SCSI子系統（見第3.6節）呈現的ATA磁碟和光學介質相匹配。你可以看到有一些規則來捕捉設備可能的不同表現方式，但想法是udevd將嘗試匹配以sd或sr開頭但沒有數字的設備（用KERNEL"sd[!0-9]|sr"表達式），以及子系統（SUBSYSTEMS"scsi"），最後還有一些其他屬性，取決於設備的類型。如果所有這些條件表達式在任何一條規則中都為真，udevd就會轉到下一個也是最後表達式：

IMPORT{program}="ata_id --export $tempnode"

這不是一個條件。相反，它是一個指令，從/lib/udev/ata_id命令中導入變數。如果你有這樣一個磁碟，自己在命令行上試試。它看起來會像這樣：

# /lib/udev/ata_id --export /dev/sda
ID_ATA=1
ID_TYPE=disk
ID_BUS=ata
ID_MODEL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0
ID_MODEL_ENC=WDC\x20WD3200AAJS22L7A0\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20
\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20
ID_REVISION=01.03E10
ID_SERIAL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671
--snip--

現在，導入設置了環境，使這個輸出中的所有變數名都被設置為所示的值。例如，接下來的任何規則現在都會將 ENV{ID_TYPE} 識別為磁碟。

在我們到目前為止看到的兩條規則中，特別值得註意的是ID_SERIAL。在每條規則中，這個條件都出現在第二條：

env{id_serial}!="?*"

如果ID_SERIAL沒有被設置，這個表達式會評估為真。因此，如果ID_SERIAL被設置了，條件就是假的，整個當前規則就不適用，udevd就會轉到下一條規則。
為什麼會出現在這裡？這兩條規則的目的是運行ata_id來查找磁碟設備的序列號，然後將這些屬性添加到uevent的當前工作副本中。你會在許多udev規則中發現這個一般模式。
設置了ENV{ID_SERIAL}後，udevd現在可以在後面的規則文件中評估這個規則，它尋找任何連接的SCSI磁碟：

KERNEL=="sd*|sr*|cciss*", ENV{DEVTYPE}=="disk", ENV{ID_SERIAL}=="?*",SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}"

你可以看到，這條規則要求ENV{ID_SERIAL}被設置，它有一個指令：

SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}"

這個指令告訴udevd為進入的設備添加一個符號鏈接。所以，現在你知道設備的符號鏈接是怎麼來的了!
你可能想知道如何區分條件表達式和指令。條件表達式用兩個等號(==)或砰的一聲等號(!=)表示，指令用一個等號(=)、一個加號(+=)或一個冒號等號(:=)表示。

3.5.3 udevadm

udevadm程式是udevd的管理工具。 你可以重新載入udevd規則和觸發事件，但udevadm最強大的功能可能是搜索和探索系統設備的能力，以及udevd從內核接收uevent時監控uevent的能力。不過，命令的語法可能有點兒複雜。大多數選項都有長短兩種形式，我們在這裡使用長的。
讓我們從檢查一個系統設備開始。回到第3.5.2節中的例子，為了查看所有的udev屬性，以及與/dev/sda這樣的設備的規則一起生成的屬性，運行以下命令：

$ udevadm info --query=all --name=/dev/sda
P: /devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda
N: sda
S: disk/by-id/ata-WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671
S: disk/by-id/scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671
S: disk/by-id/wwn-0x50014ee057faef84
S: disk/by-path/pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0
E: DEVLINKS=/dev/disk/by-id/ata-WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671 /dev/disk/by-id/scsi
-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 /dev/disk/by-id/wwn-0x50014ee057faef84 /dev/disk/by
-path/pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0
E: DEVNAME=/dev/sda
E: DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda
E: DEVTYPE=disk
E: ID_ATA=1
E: ID_ATA_DOWNLOAD_MICROCODE=1
E: ID_ATA_FEATURE_SET_AAM=1
--snip--

每行的首碼表示設備的一個屬性或其他特征。在這個例子中，頂部的P：是sysfs設備路徑，N：是設備節點（也就是給/dev文件起的名字），S：表示udevd根據其規則放在/dev中的設備節點的符號鏈接，E：是udevd規則中提取的額外設備信息。(這個例子中的輸出遠遠超過了這裡需要展示的內容；自己嘗試一下這個命令，感受一下它的作用)。

3.5.4 設備監控

要用udevadm監視uevents，請使用monitor命令：

$ udevadm monitor
KERNEL[658299.569485] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2 (usb)
KERNEL[658299.569667] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0 (usb)
KERNEL[658299.570614] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15 
(scsi)
KERNEL[658299.570645] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/ 
host15/scsi_host/host15 (scsi_host)
UDEV [658299.622579] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2 (usb)
UDEV [658299.623014] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0 (usb)
UDEV [658299.623673] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15 
(scsi)
UDEV [658299.623690] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/
host15/scsi_host/host15 (scsi_host)
--snip--

在這個輸出中，每條信息都有兩份，因為預設行為是同時列印來自內核的傳入信息（用KERNEL標記）和來自udevd的處理信息。 要想只看到內核事件，請添加--kernel選項，要想只看到udevd處理事件，請使用--udev。要看到整個傳入的uevent，包括3.5.2節中顯示的屬性，使用--property選項。--udev和--property選項一起顯示處理後的uevent。
你還可以按子系統過濾事件。例如，要想只看到與SCSI子系統的變化有關的內核信息，使用這個命令：

$ udevadm monitor --kernel --subsystem-match=scsi

關於udevadm的更多信息，請看udevadm(8)手冊頁。
udev的內容還有很多。例如，有一個叫做udisksd的守護進程，它監聽事件，以便自動連接磁碟，並通知其他進程有新的磁碟可用。

3.6 深入瞭解： SCSI和Linux內核

在這一節中，我們將看一下Linux內核中的SCSI支持，作為探索Linux內核結構的一部分。你不需要為了使用磁碟而瞭解這些信息，所以如果你急於使用磁碟，請繼續閱讀第四章。此外，這裡的材料比你到目前為止所看到的更高級，更具有理論性，所以如果你想保持動手能力，你肯定應該跳到下一章。
讓我們從一點背景開始。傳統的SCSI硬體設置是一個主機適配器通過SCSI匯流排與一連串的設備相連，如圖3-1所示。主機適配器被連接到電腦上。主機適配器和設備都有一個SCSI ID，根據SCSI版本，每條匯流排可以有8或16個ID。一些管理員可能會用SCSI目標這個詞來指代設備和它的SCSI ID，因為在SCSI協議中，會話的一端被稱為目標。

圖3-1：帶有主機適配器和設備的SCSI匯流排

任何設備都可以通過SCSI命令集以點對點的關係與另一個設備進行通信。電腦沒有直接連接到設備鏈上，所以它必須通過主機適配器才能與磁碟和其他設備通信。通常情況下，電腦向主機適配器發送SCSI命令以轉達給設備，而設備則通過主機適配器轉達響應。
較新版本的SCSI，如串列連接SCSI（SAS），提供了卓越的性能，但你可能不會在大多數機器中找到真正的SCSI設備。你會更經常地遇到使用SCSI命令的USB存儲設備。此外，支持ATAPI的設備（如CD/DVD-ROM驅動器）使用SCSI命令集的一個版本。
SATA磁碟也作為SCSI設備出現在你的系統上，但它們略有不同，因為它們中的大多數是通過libata庫中的轉換層進行通信的（見3.6.2節）。一些SATA控制器（特別是高性能的RAID控制器）在硬體中進行這種轉換。
這一切是如何組成的？考慮一下下麵系統中顯示的設備：

$ lsscsi
[0:0:0:0]diskATAWDC WD3200AAJS-201.0/dev/sda
[1:0:0:0]cd/dvdSlimtypeDVD A DS8A5SHXA15/dev/sr0
[2:0:0:0]diskUSB2.0CardReader CF0100/dev/sdb
[2:0:0:1]diskUSB2.0CardReader SM XD0100/dev/sdc
[2:0:0:2]diskUSB2.0CardReader MS0100/dev/sdd
[2:0:0:3]diskUSB2.0CardReader SD0100/dev/sde
[3:0:0:0]diskFLASHDrive UT_USB200.00/dev/sdf

方括弧內的數字從左到右分別是SCSI主機適配器號、SCSI匯流排號、設備SCSI ID和LUN（邏輯單元號，是設備的進一步細分）。在這個例子中，有四個連接的適配器（scsi0、scsi1、scsi2和scsi3），每個都有個匯流排（都是匯流排號0），每個匯流排上只有一個設備（都是目標0）。位於2:0:0的USB讀卡器有四個邏輯單元，但每一種快閃記憶體卡都可以被插入。內核給每個邏輯單元分配了一個不同的設備文件。
儘管不是SCSI設備，NVMe設備有時會在lsscsi輸出中顯示出N作為適配器編號。
註意:如果你想自己嘗試lsscsi，你可能需要把它作為一個額外的軟體包來安裝。
圖3-2顯示了這個特定系統配置的內核中的驅動和介面層次，從單個設備驅動到塊驅動。它不包括SCSI通用（sg）驅動。
儘管這是一個龐大的結構，一開始可能會讓人不知所措，但是圖中的數據流是非常線性的。讓我們從SCSI子系統和它的三層驅動開始剖析：
頂層處理一類設備的操作。例如，sd（SCSI磁碟）驅動程式就在這一層；它知道如何將來自內核塊設備介面的請求翻譯成SCSI協議中的磁碟特定命令，反之亦然。
中間層在頂層和底層之間調節和路由SCSI信息，並跟蹤所有的SCSI匯流排和連接到系統的設備。
底層處理特定的硬體動作。這裡的驅動程式向特定的主機適配器或硬體發送傳出的SCSI協議信息，並從硬體提取傳入的信息。與頂層分離的原因是，儘管SCSI消息對於一個設備類別（如磁碟類別）是統一的，但不同種類的主機適配器有不同的發送相同消息的程式。

圖3-2: Linux SCSI子系統原理圖
上層和下層包含許多不同的驅動，但是重要的是要記住，對於你系統上的任何一個設備文件，內核（幾乎總是）使用一個上層驅動和一個下層驅動。在我們的例子中，對於位於/dev/sda的磁碟，內核使用sd頂層驅動和ATA橋層驅動。
有些時候，你可能會為一個硬體設備使用不止一個上層驅動（見第3.6.3節）。對於真正的硬體SCSI設備，比如連接到SCSI主機適配器或硬體RAID控制器的磁碟，下層驅動程式直接與下麵的硬體對話。然而，對於你發現連接到SCSI子系統的大多數硬體來說，情況就不同了。

3.6.1 USB存儲和SCSI

為了讓SCSI子系統與普通的USB存儲硬體對話，如圖3-2所示，內核需要的不僅僅是一個低層的SCSI驅動。一個由/dev/sdf代表的U盤可以理解SCSI命令，但是為了和驅動器進行實際的通信，內核需要知道如何通過USB系統進行對話。
從抽象的角度來看，USB與SCSI非常相似--它有設備類別、匯流排和主機控制器。因此，Linux內核包括一個與SCSI子系統非常相似的三層USB子系統也就不足為奇了，它的頂端是設備類驅動程式，中間是匯流排管理核心，底部是主機控制器驅動程式。與SCSI子系統在其組件之間傳遞SCSI命令一樣，USB子系統在其組件之間傳遞USB信息。甚至還有一個lsusb命令，與lsscsi相似。
我們在這裡真正感興趣的部分是頂部的USB存儲驅動器。這個驅動充當了翻譯者的角色。在一端，驅動程式說的是SCSI，而在另一端，它說的是USB。因為存儲硬體在其USB信息中包含SCSI命令，所以驅動程式的工作相對容易：它主要是重新包裝數據。
有了SCSI和USB子系統，你幾乎擁有了與快閃記憶體盤對話所需的一切。最後缺失的環節是SCSI子系統中的下層驅動，因為USB存儲驅動是USB子系統的一部分，而不是SCSI子系統。(由於組織上的原因，這兩個子系統不應該共用一個驅動。)為了使子系統能夠相互交談，一個簡單的、低層的SCSI橋接驅動連接到USB子系統的存儲驅動。

3.6.2 SCSI和ATA

圖3-2中的SATA硬碟和光碟機都使用相同的SATA介面。為了將內核的SATA驅動連接到SCSI子系統，內核採用了一個橋接驅動，就像對待USB驅動器一樣，但是有不同的機制和額外的複雜情況。光碟機說的是ATAPI，這是ATA協議中編碼的SCSI命令的一個版本。然而，硬碟不使用ATAPI，也不對任何SCSI命令進行編碼!
Linux內核使用一個叫做libata的庫的一部分來調和SATA（和ATA）驅動器與SCSI子系統。對於講ATAPI的光碟機來說，這是一個相對簡單的任務，即把SCSI命令打包並提取到ATA協議中去。但對硬碟來說，這項任務要複雜得多，因為庫必須做一個完整的命令轉換。
光碟機的工作類似於將一本英文書打入電腦。你不需要為了完成這項工作而理解書的內容，甚至也不需要理解英語。但硬碟的任務更像是閱讀一本德語書，並將其作為英文翻譯輸入電腦。在這種情況下，你需要理解兩種語言以及書中的內容。
儘管有這樣的困難，libata還是執行了這項任務，並使將ATA/SATA介面和設備連接到SCSI子系統成為可能。(除了圖3-2中所示的一個SATA主機驅動程式外，通常還涉及更多的驅動程式，但為了簡單起見，我們沒有顯示出來）。

3.6.3 通用SCSI設備

當用戶空間進程與SCSI子系統通信時，它通常是通過塊設備層和/或其他位於SCSI設備類驅動（如sd或sr）之上的內核服務進行的。換句話說，大多數用戶進程不需要知道任何關於SCSI設備或它們的命令。
然而，用戶進程可以繞過設備類驅動程式，通過其通用設備直接向設備發出SCSI協議命令。例如，考慮第3.6節中描述的系統，但這次，看看當你為lsscsi添加-g選項以顯示通用設備時會發生什麼：

$ lsscsi -g
[0:0:0:0]   disk    ATA       WDC WD3200AAJS-2  01.0  /dev/sda 1/dev/sg0
[1:0:0:0]   cd/dvd  Slimtype  DVD A DS8A5SH     XA15  /dev/sr0   /dev/sg1
[2:0:0:0]   disk    USB2.0    CardReader CF     0100  /dev/sdb   /dev/sg2
[2:0:0:1]   disk    USB2.0    CardReader SM XD  0100  /dev/sdc   /dev/sg3
[2:0:0:2]   disk    USB2.0    CardReader MS     0100  /dev/sdd   /dev/sg4
[2:0:0:3]   disk    USB2.0    CardReader SD     0100  /dev/sde   /dev/sg5
[3:0:0:0]   disk    FLASH     Drive UT_USB20    0.00  /dev/sdf   /dev/sg6

除了通常的塊設備文件外，每個條目在最後一列1中列出SCSI通用設備文件。例如，位於/dev/sr0的光碟機的通用設備是/dev/sg1。
為什麼你想使用一個通用設備？答案是與內核中代碼的複雜性有關。隨著任務變得越來越複雜，最好把它們留在內核之外。考慮一下CD/DVD的寫入和讀取。讀取光碟是相當簡單的操作，而且有專門的內核驅動。
然而，寫光碟要比讀光碟困難得多，而且沒有關鍵的系統服務依賴於寫光碟的操作。沒有理由用這種活動來威脅內核空間。因此，要在Linux中寫入光碟，你需要運行一個用戶空間程式，與一個通用的SCSI設備對話，比如/dev/sg1。這個程式可能比內核驅動的效率低一些，但它更容易建立和維護。

3.6.4 單一設備的多種訪問方法

圖3-3展示了Linux SCSI子系統從用戶空間訪問光碟機的兩個點（sr和sg）（SCSI下層的任何驅動都被省略了）。進程A使用sr驅動從驅動器中讀取，進程B使用sg驅動向驅動器寫入。然而，像這樣的進程通常不會同時運行來訪問同一個設備。

圖3-3：光學設備驅動原理圖
在圖3-3中，進程A從塊設備中讀取數據。但是，用戶進程真的會以這種方式讀取數據嗎？通常情況下，答案是否定的，不是直接的。在塊設備上面還有更多的層，甚至還有更多的硬碟訪問點，你將在下一章中學習。