Controlador de dispositivo

Un controlador de dispositivo es un software que opera o controla un tipo particular de dispositivo conectado a una computadora . ^{[ 1 ]} Un controlador proporciona una interfaz de software a los dispositivos de hardware , lo que permite que otro software acceda a las funciones del hardware sin necesidad de conocer detalles precisos sobre el mismo.

Un controlador se comunica con el dispositivo a través del bus de la computadora o el subsistema de comunicaciones al que se conecta el hardware. Cuando un programa llama al controlador , este envía comandos al dispositivo (lo controla). Una vez que el dispositivo envía datos de vuelta al controlador, este puede invocar rutinas del programa que lo llamó originalmente.

Los controladores dependen del hardware y son específicos del sistema operativo. Generalmente proporcionan el manejo de interrupciones necesario para cualquier interfaz de hardware asíncrona dependiente del tiempo. ^{[ 2 ]}

El objetivo principal de los controladores de dispositivos es proporcionar abstracción de hardware 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 alto nivel independientemente del hardware específico que utilice el usuario final.

Por ejemplo, una aplicación de alto nivel para interactuar con un puerto serie podría tener simplemente dos funciones: una para enviar datos y otra para recibirlos . A un nivel inferior, un controlador de dispositivo que implemente estas funciones se comunicaría con el controlador de puerto serie específico instalado en el ordenador del usuario. Los comandos necesarios para controlar una UART 16550 son muy diferentes de los necesarios para controlar un adaptador USB a serie , pero cada controlador de dispositivo específico para hardware abstrae estos detalles en la misma interfaz de software (o una similar).

Escribir un controlador de dispositivo requiere un conocimiento profundo del funcionamiento del hardware y el software para una plataforma específica . Dado que los controladores requieren acceso de bajo nivel a las funciones del hardware para operar, suelen funcionar en un entorno con altos privilegios y pueden causar problemas operativos del sistema si algo falla. En cambio, el mal funcionamiento de la mayoría del software de nivel de usuario en los sistemas operativos modernos se puede detener sin afectar significativamente al resto del sistema. Incluso los controladores que se ejecutan en modo de usuario pueden provocar el bloqueo del sistema si el dispositivo está programado erróneamente . Estos factores dificultan y hacen más peligroso el diagnóstico de problemas. ^{[ 3 ]}

La tarea de escribir controladores suele recaer en ingenieros de software o informáticos que trabajan para empresas de desarrollo de hardware. Esto se debe a que, como empleados, poseen mejor información que la mayoría de los ajenos a la empresa sobre el diseño del 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, la parte de abstracción de hardware del controlador la escribe el proveedor del sistema operativo, mientras que la parte de acceso al dispositivo físico de bajo nivel la implementa el proveedor del dispositivo. Sin embargo, en los últimos años, personas ajenas a los proveedores han escrito numerosos controladores para dispositivos propietarios, principalmente para su uso con sistemas operativos libres y de código abierto . En estos casos, es importante que el fabricante de hardware proporcione información sobre cómo se comunica el dispositivo. Si bien esta información se puede obtener mediante ingeniería inversa , esto es mucho más difícil con hardware que con software.

Windows utiliza una combinación de controlador y minicontrolador, donde el controlador de clase/puerto completo se proporciona con el sistema operativo, y los controladores de miniclase/minipuerto son desarrollados por los proveedores e implementan un subconjunto específico de hardware o función de la pila completa de controladores. ^{[ 4 ]} El modelo de minipuerto es utilizado por los controladores NDIS , WDM , WDDM , WaveRT , StorPort , WIA y HID ; cada uno de ellos utiliza API específicas del dispositivo y aún requiere que el desarrollador gestione las tareas de administración del dispositivo.

Microsoft ha intentado reducir la inestabilidad del sistema causada por controladores de dispositivos mal escritos mediante la creación de un nuevo marco de desarrollo de controladores, denominado Windows Driver Frameworks (WDF). Este 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 de usuario. Si estos controladores presentan fallos, no provocan inestabilidad en el sistema. El modelo Kernel-Mode Driver Framework (KMDF) permite el desarrollo de controladores de dispositivos en modo kernel, pero busca proporcionar implementaciones estándar de funciones que suelen causar problemas, como la cancelación de operaciones de E/S, la administración de energía y la compatibilidad con dispositivos plug-and-play.

Apple cuenta con un marco de código abierto para el desarrollo de controladores en macOS , llamado I/O Kit.

En entornos Linux, los programadores pueden compilar controladores de dispositivos como parte del kernel , por separado como módulos cargables o como controladores en modo usuario para ciertos tipos de dispositivos donde existen interfaces del kernel, como para dispositivos USB. Makedev incluye una lista de los dispositivos en Linux, incluyendo ttyS (terminal), lp ( puerto paralelo ), hd (disco), loop y sound (estos incluyen mezclador , secuenciador , dsp y audio). ^{[ 5 ]}

Los archivos .sys de Microsoft Windows y los archivos .ko de Linux pueden contener controladores de dispositivos cargables. La ventaja de estos controladores es que se cargan solo cuando es necesario y luego se descargan, lo que ahorra memoria del núcleo.

Dependiendo del sistema operativo, los controladores de dispositivos pueden ejecutarse con distintos niveles de privilegio . La elección del nivel de privilegio de los controladores depende en gran medida del tipo de núcleo que utilice el sistema operativo. Un sistema operativo con un núcleo monolítico , como Linux , suele ejecutar los controladores de dispositivos con el mismo privilegio que los demás objetos del núcleo. Por el contrario, un sistema basado en micronúcleos , como Minix , ejecuta los controladores como procesos independientes del núcleo, pero que los utilizan para funciones esenciales de entrada/salida . ^{[ 6 ]} 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 . ^{[ 7 ]}

El mecanismo más común para segregar la memoria en distintos niveles de privilegio es mediante anillos de protección . En muchos sistemas, como los que utilizan procesadores x86 y ARM , el cambio entre anillos supone una penalización en el rendimiento, un factor que los desarrolladores de sistemas operativos y los ingenieros de software embebido tienen en cuenta al crear controladores para dispositivos, como las tarjetas de interfaz de red , que prefieren funcionar con baja latencia. La principal ventaja de ejecutar un controlador en modo usuario es una mayor estabilidad, ya que un controlador de dispositivo en modo usuario mal escrito no puede provocar el fallo del sistema sobrescribiendo la memoria del kernel. ^{[ 8 ]}

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

• Para hardware:
  • Interfaz directa
  • Escritura o lectura en un registro de control de dispositivo
  • Utilizando alguna interfaz de nivel superior (por ejemplo, BIOS de vídeo )
  • Utilizar otro controlador de dispositivo de nivel inferior (por ejemplo, controladores de sistema de archivos que utilizan controladores de disco).
  • Simular el trabajo con hardware, mientras se hace algo completamente diferente ^{[ 9 ]}
• Para software:
  • Permitir que el sistema operativo acceda directamente a los recursos de hardware.
  • Implementar únicamente primitivas
  • Implementación de una interfaz para software que no sea un controlador (por ejemplo, TWAIN ).
  • Implementar un lenguaje, a veces de nivel bastante alto (por ejemplo, PostScript ).

Debido a la diversidad de la modernidadLos controladores, tanto de hardware como de sistemas operativos, operan en muchos entornos diferentes. ^{[ 10 ]} Los controladores pueden interactuar con:

• Impresoras
• adaptadores de vídeo
• Tarjetas de red
• Tarjetas de sonido
• chipsets de PC
• Gestión de energía y batería
• Autobuses locales de diversos tipos, en particular, para dominar el uso del autobús en sistemas modernos.
• Buses de E/S de bajo ancho de banda de diversos tipos (para dispositivos señaladores como ratones , teclados , etc.)
• Dispositivos de almacenamiento informático como discos duros , CD-ROM y buses de disquetes ( ATA , SATA , SCSI , SAS )
• Implementación de soporte para diferentes sistemas de archivos
• escáneres de imágenes
• Cámaras digitales
• Sintonizadores de televisión digital terrestre
• Radio frequency communication transceiver adapters for wireless personal area networks as used for short-distance and low-rate wireless communication in home automation, (such as example Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, and Z-Wave).
• IrDA adapters

So choosing and installing the correct device drivers for the given hardware is often a key component of computer system configuration.^[11]

Virtual device drivers represent a particular variant of device drivers. They are used to emulate a hardware device, particularly in virtualization environments, for example, when a guest operating system is run on a Xen host.^[12] Instead of enabling the guest operating system to control the hardware, virtual device drivers emulate a piece of hardware, so that the guest operating system and its drivers running inside a virtual machine can have the illusion of accessing real hardware. Attempts by the guest operating system to access the hardware are routed to the virtual device driver in the host operating system. The virtual device driver can also send simulated hardware-related events like interrupts to the virtual machine.

Virtual devices may also operate in a non-virtualized environment. For example, a virtual network adapter is used with a virtual private network, while a virtual disk device is used with iSCSI. A good example for virtual device drivers can be Daemon Tools.

There are several variants of virtual device drivers, such as VxDs, VLMs, and VDDs.

• Graphics device driver
• Printers: CUPS
• RAIDs: CCISS^[13] (Compaq Command Interface for SCSI-3 Support^[14])
• Scanners: SANE
• Video: Vidix, Direct Rendering Infrastructure

Solaris descriptions of commonly used device drivers:

• fas: Fast/wide SCSI controller
• hme: Fast (10/100 Mbit/s) Ethernet
• isp: Differential SCSI controllers and the SunSwift card
• glm: (Gigabaud Link Module^[15]) UltraSCSI controllers
• scsi: Small Computer Serial Interface (SCSI) devices
• sf: soc+ or social Fiber Channel Arbitrated Loop (FCAL)
• soc: SPARC Storage Array (SSA) controllers and the control device
• social: Serial optical controllers for 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) ^{[ 16 ]}
• Fundación de controladores de Windows (WDF)
• Hardware Componentizado Declarativo (DCH) - Controlador de la Plataforma Universal de Windows ^{[ 17 ]}
• Modelo de controlador de Windows (WDM)
• Especificación de interfaz de controlador de red (NDIS): una API estándar para controladores de tarjetas de red.
• Arquitectura de sonido avanzada de Linux (ALSA): la interfaz estándar del controlador de sonido de Linux.
• Scanner Access Now Easy (SANE): una interfaz de dominio público para hardware de escáner 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 Controladores (UDI): un proyecto de interfaz de controladores multiplataforma
• Dynax Driver Framework (dxd) – Marco de controladores multiplataforma de código abierto en C++ para KMDF e IOKit ^{[ 18 ]}

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

Un dispositivo PCI suele tener un par de identificadores para el chip principal del dispositivo, y también un par de identificadores de subsistema que identifican al proveedor, que puede ser diferente del fabricante del chip.

Los ordenadores suelen tener muchos controladores de dispositivos diversos y personalizados ejecutándose en el núcleo de su sistema operativo, que a menudo contienen varios errores y vulnerabilidades , lo que los convierte en un objetivo para los exploits . ^{[ 19 ]}Un atacante de tipo " Traiga su propio controlador vulnerable" (BYOVD) instala cualquier controlador antiguo de terceros firmado con vulnerabilidades conocidas que permiten la inserción de código malicioso en el núcleo. ^{[ 20 ]} Los controladores que pueden ser vulnerables incluyen los de Wi-Fi y Bluetooth, ^{[ 21 ] [ 22 ]} controladores de juegos/gráficos, ^{[ 23 ]} y controladores para impresoras. ^{[ 24 ]}

Hay una falta de herramientas eficaces para la detección de vulnerabilidades del kernel, especialmente para sistemas operativos de código cerrado como Microsoft Windows ^{[ 25 ],} donde el código fuente de los controladores de dispositivos es mayoritariamente propietario y no está disponible para su examen, ^{[ 26 ]} y los controladores a menudo tienen muchos privilegios. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

Un grupo de investigadores de seguridad considera la falta de aislamiento como uno de los principales factores que socavan la seguridad del núcleo , ^{[ 31 ]} y publicó un marco de aislamiento para proteger los núcleos de los sistemas operativos, principalmente el núcleo monolítico de Linux cuyos controladores, según afirman, reciben aproximadamente 80.000 confirmaciones al año. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

• 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 usar un controlador binario en Ubuntu.
• Fuente de controladores Linux