Controlador de dispositivo

Sistemas operativos
Características comunes
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en a mi

En el contexto de un sistema operativo , un controlador de dispositivo es un programa informático que opera o controla un tipo particular de dispositivo que está conectado a una computadora o autómata . ^[1] Un controlador proporciona una interfaz de software para dispositivos de hardware , lo que permite que los sistemas operativos y otros programas informáticos accedan a funciones de hardware sin necesidad de conocer detalles precisos sobre el hardware que se está utilizando.

Un controlador se comunica con el dispositivo a través del bus de la computadora o del subsistema de comunicaciones al que se conecta el hardware. Cuando un programa que realiza la llamada invoca una rutina en el controlador, el controlador emite comandos al dispositivo (lo controla). Una vez que el dispositivo envía datos de vuelta al controlador, el controlador puede invocar rutinas en el programa que realizó la llamada original.

Los controladores dependen del hardware y son específicos del sistema operativo. Por lo general, proporcionan el manejo de interrupciones necesario para cualquier interfaz de hardware asincrónica dependiente del tiempo. ^[2]

El objetivo principal de los controladores de dispositivos es proporcionar abstracción actuando como traductor entre un dispositivo de hardware y las aplicaciones o sistemas operativos que lo utilizan. ^[1] Los programadores pueden escribir código de aplicación de nivel superior independientemente del hardware específico que esté utilizando el usuario final. Por ejemplo, una aplicación de alto nivel para interactuar con un puerto serie puede tener simplemente dos funciones para "enviar datos" y "recibir datos". En un nivel inferior, un controlador de dispositivo que implemente estas funciones se comunicaría con el controlador de puerto serie particular instalado en la computadora de un usuario. Los comandos necesarios para controlar un UART 16550 son muy diferentes de los comandos necesarios para controlar un convertidor de puerto serie FTDI , pero cada controlador de dispositivo específico de hardware abstrae estos detalles en la misma interfaz de software (o similar).

Para escribir un controlador de dispositivo es necesario comprender en profundidad cómo funciona el hardware y el software para una función de plataforma determinada . Debido a que los controladores requieren un acceso de bajo nivel a las funciones del hardware para funcionar, normalmente funcionan en un entorno con muchos privilegios y pueden causar problemas operativos del sistema si algo sale mal. Por el contrario, la mayoría del software de nivel de usuario en los sistemas operativos modernos se puede detener sin afectar en gran medida al resto del sistema. Incluso los controladores que se ejecutan en modo de usuario pueden bloquear un sistema si el dispositivo está programado de forma errónea . Estos factores hacen que sea más difícil y peligroso diagnosticar problemas. ^[3]

Por lo tanto, la tarea de escribir controladores suele recaer en ingenieros de software o ingenieros informáticos que trabajan para empresas de desarrollo de hardware, ya que tienen mejor información que la mayoría de los externos sobre el diseño de su hardware. Además, tradicionalmente se ha considerado que al fabricante de hardware le interesa garantizar que sus clientes puedan utilizar su hardware de forma óptima. Normalmente, el controlador de dispositivo lógico (LDD) lo escribe el proveedor del sistema operativo, mientras que el controlador de dispositivo físico (PDD) lo implementa el proveedor del dispositivo. Sin embargo, en los últimos años, los no proveedores han escrito numerosos controladores de dispositivos para dispositivos propietarios, principalmente para su uso con sistemas operativos libres y de código abierto . En tales casos, es importante que el fabricante del hardware proporcione información sobre cómo se comunica el dispositivo. Aunque esta información se puede obtener mediante ingeniería inversa , esto es mucho más difícil con el hardware que con el software.

Microsoft ha intentado reducir la inestabilidad del sistema debido a controladores de dispositivos mal escritos mediante la creación de un nuevo marco para el desarrollo de controladores, llamado Windows Driver Frameworks (WDF). Esto incluye User-Mode Driver Framework (UMDF) que fomenta el desarrollo de ciertos tipos de controladores, principalmente aquellos que implementan un protocolo basado en mensajes para comunicarse con sus dispositivos, como controladores de modo usuario. Si dichos controladores funcionan mal, no causan inestabilidad del sistema. El modelo Kernel-Mode Driver Framework (KMDF) continúa permitiendo el desarrollo de controladores de dispositivos en modo kernel, pero intenta proporcionar implementaciones estándar de funciones que se sabe que causan problemas, incluida la cancelación de operaciones de E/S, administración de energía y compatibilidad con dispositivos plug and play.

Apple tiene un marco de código abierto para desarrollar controladores en macOS , llamado I/O Kit.

En entornos Linux , los programadores pueden crear controladores de dispositivos como partes del núcleo , por separado como módulos cargables o como controladores de modo usuario (para ciertos tipos de dispositivos donde existen interfaces de núcleo, como dispositivos USB). Makedev incluye una lista de los dispositivos en Linux, incluidos ttyS (terminal), lp ( puerto paralelo ), hd (disco), loop y sonido (estos incluyen mezclador , secuenciador , dsp y audio). ^[4]

Los archivos .sys de Microsoft Windows y .ko de Linux pueden contener controladores de dispositivos cargables. La ventaja de los controladores de dispositivos cargables es que se pueden cargar solo cuando sea necesario y luego descargar, ahorrando así memoria del núcleo.

Dependiendo del sistema operativo, los controladores de dispositivos pueden tener permitido ejecutarse en varios niveles de privilegio diferentes . La elección del nivel de privilegio en el que se encuentran los controladores depende en gran medida del tipo de núcleo que utiliza un sistema operativo. Un sistema operativo que utiliza un núcleo monolítico , como el núcleo Linux , normalmente ejecutará los controladores de dispositivos con el mismo privilegio que todos los demás objetos del núcleo. Por el contrario, un sistema diseñado en torno a un micronúcleo , como Minix , colocará los controladores como procesos independientes del núcleo pero que lo utilizan para funcionalidades esenciales de entrada y salida y para pasar mensajes entre los programas de usuario y entre ellos. ^[5] En Windows NT , un sistema con un núcleo híbrido , es común que los controladores de dispositivos se ejecuten en modo núcleo o en modo usuario . ^[6]

El mecanismo más común para segregar la memoria en varios niveles de privilegio es a través de anillos de protección . En muchos sistemas, como aquellos con procesadores x86 y ARM , cambiar entre anillos impone una penalización de rendimiento, un factor que los desarrolladores de sistemas operativos e ingenieros de software integrado consideran al crear controladores para dispositivos que se prefiere que se ejecuten con baja latencia, como tarjetas de interfaz de red . El beneficio principal de ejecutar un controlador en modo de usuario es una estabilidad mejorada, ya que un controlador de dispositivo en modo de usuario mal escrito no puede bloquear el sistema sobrescribiendo la memoria del núcleo. ^[7]

Debido a la diversidad de ^[actualizar]hardware y sistemas operativos modernos, los controladores funcionan en muchos entornos diferentes. ^[8] Los controladores pueden interactuar con:

• Impresoras
• Adaptadores de vídeo
• Tarjetas de red
• Tarjetas de sonido
• Conjuntos de chips para PC
• Autobuses locales de diversos tipos, en particular, para el control de bus en sistemas modernos
• Buses de E/S de bajo ancho de banda de varios tipos (para dispositivos señaladores como ratones , teclados , etc.)
• Dispositivos de almacenamiento de computadoras como discos duros , CD-ROM y buses de disquete ( ATA , SATA , SCSI , SAS )
• Implementación de soporte para diferentes sistemas de archivos
• Escáneres de imágenes
• Cámaras digitales
• Sintonizadores de televisión digital terrestre
• Adaptadores transceptores de comunicación por radiofrecuencia para redes de área personal inalámbricas utilizadas para comunicaciones inalámbricas de corta distancia y baja velocidad en la automatización del hogar (como, por ejemplo, Bluetooth Low Energy (BLE) , Thread , Zigbee y Z-Wave ).
• Adaptadores IrDA

Los niveles comunes de abstracción para los controladores de dispositivos incluyen:

• Para hardware:
  • Interfaz directa
  • Escribir o leer desde un registro de control de dispositivo
  • Usando alguna interfaz de nivel superior (por ejemplo, BIOS de video )
  • Usando otro controlador de dispositivo de nivel inferior (por ejemplo, controladores del sistema de archivos que usan controladores de disco)
  • Simular el trabajo con hardware, mientras se hace algo completamente diferente ^[9]
• Para software:
  • Permitir que el sistema operativo tenga acceso directo a los recursos de hardware
  • Implementando solo primitivos
  • Implementación de una interfaz para software que no sea controlador (por ejemplo, TWAIN )
  • Implementar un lenguaje, a veces de muy alto nivel (por ejemplo, PostScript )

Por lo tanto, elegir e instalar los controladores de dispositivo correctos para un determinado hardware es a menudo un componente clave de la configuración del sistema informático. ^[10]

Los controladores de dispositivos virtuales representan una variante particular de los controladores de dispositivos. Se utilizan para emular un dispositivo de hardware, particularmente en entornos de virtualización , por ejemplo, cuando se ejecuta un programa DOS en una computadora Microsoft Windows o cuando se ejecuta un sistema operativo invitado en, por ejemplo, un host Xen . En lugar de permitir que el sistema operativo invitado dialogue con el hardware, los controladores de dispositivos virtuales toman el rol opuesto y emulan una pieza de hardware, de modo que el sistema operativo invitado y sus controladores que se ejecutan dentro de una máquina virtual pueden tener la ilusión de acceder al hardware real. Los intentos del sistema operativo invitado de acceder al hardware se enrutan al controlador de dispositivo virtual en el sistema operativo host como, por ejemplo,  llamadas de función . El controlador de dispositivo virtual también puede enviar eventos simulados a nivel de procesador como interrupciones a la máquina virtual.

Los dispositivos virtuales también pueden funcionar en un entorno no virtualizado. Por ejemplo, un adaptador de red virtual se utiliza con una red privada virtual , mientras que un dispositivo de disco virtual se utiliza con iSCSI . Un buen ejemplo de controladores de dispositivos virtuales puede ser Daemon Tools .

Existen varias variantes de controladores de dispositivos virtuales, como VxDs , VLMs y VDDs.

• Controlador de dispositivo gráfico
• Impresoras: CUPS
• RAID: CCISS ^[11] (Interfaz de comandos de Compaq para compatibilidad con SCSI-3 ^[12] )
• Escáneres: SANE
• Vídeo: Vidix , Infraestructura de renderizado directo

Descripciones de Solaris de controladores de dispositivos comúnmente utilizados:

• fas: Controlador SCSI rápido/ancho
• hme: Ethernet rápida (10/100 Mbit/s)
• isp: Controladores SCSI diferenciales y la tarjeta SunSwift
• glm: (Módulo de enlace Gigabaud ^[13] ) Controladores UltraSCSI
• scsi: dispositivos de interfaz serial para computadoras pequeñas (SCSI)
• sf: soc+ o bucle arbitrado de canal de fibra social (FCAL)
• soc: controladores de matriz de almacenamiento SPARC (SSA) y el dispositivo de control
• social: Controladores ópticos seriales para FCAL (soc+)

• Modelo de controlador de pantalla de Windows (WDDM): la arquitectura del controlador de pantalla gráfica para Windows Vista y versiones posteriores.
• Modelo de audio unificado (UAM) ^[14]
• Fundación de controladores de Windows (WDF)
• Hardware componente declarativo (DCH): controlador de plataforma universal de Windows ^[15]
• Modelo de controlador de Windows (WDM)
• Especificación de interfaz de controlador de red (NDIS): una API de controlador de tarjeta de red estándar
• Arquitectura avanzada de sonido de Linux (ALSA): la interfaz estándar del controlador de sonido de Linux
• Scanner Access Now Easy (SANE): una interfaz de dominio público para el hardware de escáneres de imágenes rasterizadas
• Sistema de archivos instalable (IFS): una API de sistema de archivos para IBM OS/2 y Microsoft Windows NT
• Interfaz de enlace de datos abierta (ODI): API de tarjeta de red similar a NDIS
• Interfaz uniforme de controlador (UDI): un proyecto de interfaz de controlador multiplataforma
• Dynax Driver Framework (dxd): marco de controlador multiplataforma de código abierto C++ para KMDF e IOKit ^[16]

Un dispositivo en el bus PCI o USB se identifica mediante dos identificadores que constan de dos bytes cada uno. El identificador del proveedor identifica al proveedor del dispositivo. El identificador del dispositivo identifica un dispositivo específico de ese fabricante/proveedor.

Un dispositivo PCI a menudo tiene un par de ID para el chip principal del dispositivo y también un par de ID de subsistema que identifica al proveedor, que puede ser diferente del fabricante del chip.

Los dispositivos a menudo tienen una gran cantidad de controladores de dispositivos diversos y personalizados que se ejecutan en el núcleo de su sistema operativo (SO) y, a menudo, contienen varios errores y vulnerabilidades , lo que los convierte en un objetivo para exploits . ^[17] Bring Your Own Vulnerable Driver (BYOVD) utiliza controladores antiguos y firmados que contienen fallas que permiten a los piratas informáticos insertar código malicioso en el kernel. ^[18]

Hay una falta de herramientas efectivas para la detección de vulnerabilidades del kernel, especialmente para sistemas operativos de código cerrado como Microsoft Windows ^[19] donde el código fuente de los controladores de dispositivos en su mayoría no es público (código abierto) ^[20] y los controladores a menudo también tienen muchos privilegios. ^{[21] [22] [23] [24]}

Estas vulnerabilidades también existen en los controladores de computadoras portátiles, ^[25] controladores de WiFi y Bluetooth, ^{[26] [27]} controladores de juegos/gráficos, ^[28] y controladores de impresoras. ^[29]

Un grupo de investigadores de seguridad considera la falta de aislamiento como uno de los principales factores que socavan la seguridad del kernel , ^[30] y publicó un marco de aislamiento para proteger los kernels de los sistemas operativos, principalmente el kernel monolítico Linux que, según ellos, recibe ~80.000 confirmaciones /año a sus controladores. ^{[31] [32]}

• Centro de desarrollo de hardware de Windows
• Listas de compatibilidad de hardware y controladores de Linux
• Comprensión de los controladores de dispositivos modernos (Linux)
• Cómo manejar BinaryDriver en Ubuntu.
• Fuente de controladores de Linux