디바이스 드라이버 이해 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung.

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1 디바이스 드라이버 이해 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

2 목차 문자 디바이스 드라이버 모듈 프로그래밍 예제 프로그램 디바이스 드라이버의 개요 커널 인터페이스 함수
디바이스 드라이버의 종류와 그 특징 문자 디바이스 드라이버의 동작과정 문자 디바이스 제작방법 모듈 프로그래밍 모듈 프로그래밍의 필요성 모듈 프로그래밍 명령어 요약 모듈 프로그램의 동작 설명 커널의 심볼 테이블에 등록 모듈 프로그래밍 예 예제 프로그램 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

3 디바이스 드라이버 개요 디바이스 드라이버 개요 디바이스 드라이버의 용도 물리적인 하드웨어 장치를 다루고 관리하는 소프트웨어
커널의 일부분 주번호(major number) 와 부번호(minor number)를 이용하여 각각의 디바이스들을 구분하여 사용 디바이스 드라이버의 용도 응용프로그램에서 하드웨어장치를 이용해서 데이터를 직접 읽고 쓰거나 제어해야 하는 경우에 디바이스 드라이버를 이용 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

4 커널 인터페이스 함수 Port I/O inb(unsigned short port),inb_p(unsigned port)
port로부터 1byte읽음 outb(char value, unsigned short port) outb_p(char value, unsigned short port) port에 1byte의 value를 출력함 inb_p(), out_p:inb()/outb() and pause의 의미 inw(), inw_p(), outw(), outw_p() port로부터 short int(2byte)읽거나 출력함 int(), inl_p(), outl(), outl_p() port로부터 long int(4byte)읽거나 출력함 insb(unsigned int port, void *to, int len) port로부터 len bytes를 읽어, to가 가리키는 메모리에 저장 insb_p(), outsb(), outsb_p(), insw(), insw_p(), outsw(), outsw_p(), insl(), outsl_p() Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

5 커널 인터페이스 함수 Interrupt cli()/sti() clear/set interrupt enable
save_flags(), restore_flags() status register의 내용을 저장하고 복원 register unsigned long flags; save_flags(flags); cli(); … restore_flags(flags); requst_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int), unsigned long flags, const char *device) 커널로부터 IRQ를 요청하여, IRQ interrupt handler를 install free_irq(unsigned int irq) request_irq()에서 획득한 irq를 반납함 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

6 커널 인터페이스 함수 Memory kmalloc(unsigned int len, int priority)
커널 메모리 할당. 128~131056byte까지 가능 priority:GFP_BUFFER, GFP_ATOMIC, GFP_USER, GFP_KERNEL kfree(void *obj) kmalloc()에서 할당받은 커널 메모리(obj)를 반납 vmalloc(unsigned int len), vmfree(void *addr) 커널 메모리 할당/반납, 크기 제한 없음 memcpy_xxfs(void *to, const void *from, unsigned long n) 커널주소공간과 사용자주소공간 사이에 memory copy Xx=from/to memset(void *s, char c, sizt_t count) 메모리 s에 c를 count만큼 복사 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

7 커널 인터페이스 함수 동기화 sleep_on(struct wait_queue **q)
q의 번지를 event로 sleep하며, uninterruptible sleep_in_interruptible(struct wait_queue **q) q의 번지를 event로 sleep하며, interruptible wake_up(struct wait_queue **q) sleep_on(q)에 의해 sleep한 task를 wakeup wake_up_interruptible(struct wait_queuq **q) sleep_on_interruptible(q)에 의해 sleep한 task를 wakeup Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

8 커널 인터페이스 함수 printk(const char *fmt,….) printf의 커널 버전
printk(LOG_LEVEL_ message) LOG_LEVEL:KERN_EMERG, KERN_ALERT, KERN_ERR, KERN_WARNING, KER_INFO, KERN_DEBUG 예 printk(“<1>Hello, World”); printk(KERN_WARNING”warning…\n”); sprintf(char *str, const char *fmt, …) print to string Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

9 커널 인터페이스 함수 driver register
register_xxxdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops) character/block driver를 xxxdev[major]에 등록 xxx:blk/chr unregister_xxxdev(unsigned int major, const char *name) xxxdevs[major]에 등록되 있는 device driver를 제거 major(a)/minor(a) 장치번호a로부터 major/minor 번호를 구함 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

10 디바이스 드라이버 종류 및 특징 디바이스 드라이버의 종류 및 특징 드라이버 종류 설 명 등록함수명 문자 드라이버
디바이스 드라이버의 종류와 특징 문자 드라이버 디바이스를 파일처럼 취급하고 접근하여 직접 읽기/쓰기를 수행, 데이터 형태는 스트림 방식으로 전송 EX) 콘솔, 키보드, 시리얼 포트 드라이버등 register_chrdev() 블록 드라이버 디스크와 같이 파일 시스템을 기반으로 일정한 블록 단위로 데이터 읽기/쓰기를 수행 EX) 플로피 디스크, 하드 디스크, CDROM 드라이버 등 register_blkdev() 네트워크 드라이버 네트워크의 물리 계층과 프레임 단위의 데이터를 송수신 EX) 이더넷 디바이스 드라이버(eth0) register_netdev() Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

11 디바이스 드라이버 종류 및 특징 모듈 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung
사용자 프로그램과 응용 프로그램 응용프로그램 레벨 시스템 콜 커널 레벨 프로세스 관리 메모리 관리 파일 시스템 디바이스 제어 네트워크 커널 부분 TTY와 디바이스 제어 동시 멀티 테스킹 가상 메모리 파일과 디렉토리 연결 기능 구현 아키텍처 의존적 코드 메모리 관리자 FS타입 문자 디바이스 네트워크 서브 시스템 소프트웨어 지원 블록 디바이스 If 드라이버 하드웨어 제어 하드웨어 레벨 CPU RAM 디스크와 CD 콘솔, 시리얼 포트, 특수 보드 네트워크 인터페이스 하드웨어 모듈 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

12 디바이스 드라이버 동작 시스템 콜 흐름도 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung
process read() process fork () System Call sys_read() sys_fork() File System Process Management bread() copy_mm() Buffer Cache Memory Manager hd_request() Disk Device Driver copy_thread() hd_io() Hardware CPU Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

13 디바이스 드라이버 동작 System call processing Kernel
user task vector_swi /* arch/arm/kernel/entry-common.S */ 1. 시스템 콜 번호 추출 2. Idreq pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys routine …. 3. Ret_from_sys_call (schedule, signal, bh_active, interrupt handling) msin() { … fork(); } IDT 0x0 swi SYS_ERROR libc.a … … fork() { swi 0x900002 } 0x8 Jump to Vector_swi … 1 2 3 4 sys_exit() sys_fork() Sys_fork() /* arch/arm/kernel/sys_arm.c */ sys_read() sys_write() …. Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

14 문자 디바이스 드라이버 동작 디바이스 드라이버의 동작과정 실패 시 종료
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15 문자 디바이스 제작방법 문자 디바이스 드라이버 제작법 장치의 등록과 해제
외부와 디바이스 드라이버는 파일 인터페이스를 통해서 연결 디바이스 드라이버는 file_operations를 제공함으로써 구현 디바이스 드라이버는 자신을 구별하기 위해 고유의 major number를 사용 장치의 등록과 해제 등록 : int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops) major : 등록할 major number. 0이면 사용하지 않는 번호 중 동적으로 할당 name : 장치의 이름 fops : 장치에 대한 파일 연산 함수들 해제 : int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name) Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

16 문자 디바이스 제작방법 kernel user program open close read write device driver
file operations dev_open dev_close dev_read dev_write isr rx_isr tx_isr system call interrupt device Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

17 문자 디바이스 제작방법 major number와 minor number
장치를 구분하는 방법으로 둘을 이용하여 특정 장치를 구별 major number : 커널에서 디바이스 드라이버를 구분하는데 사용 minor number : 디바이스 드라이버 내에서 필요한 경우 장치를 구분하기 위해 사용 새로운 디바이스는 새로운 major number를 가져야 함 documentation/devices.txt에 모든 장치의 major number 정의 register_chrdev()로 장치를 등록할 때 major number를 지정 같은 major number가 등록되어 있으면 등록 실패 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

18 문자 디바이스 제작방법 mknod 명령으로 디바이스 드라이버에 접근할 수 있는 장치 파일 생성
mknod [device file name] [type] [major] [minor] mdev_t : 장치의 major, minor number를 표현하는 자료구조 MAJOR() : kdev_t에서 major number를 얻어내는 매크로 MINOR() : kdev_t에서 minor number를 얻어내는 매크로 MKDEV(ma, mi) : major number, minor number를 가지고 kdev_t를 만듬 cat /proc/devices 명령으로 현재 로드된 디바이스 드라이버 확인 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

19 문자 디바이스 제작방법 struct file_operatons()함수의 내용
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20 문자 디바이스 제작방법 module owner : 모듈 사용자 이름 llseek : 파일에서 현재 읽고 쓰는 위치 이동
read : 장치에서 데이터를 읽어 들임 write : 장치에 데이터를 기록 readdir : 장치에서 사용하지 않고 디렉토리에서 사용하는 함수 poll : 장치에 읽고 쓸 수 있는지 예외 상황이 발생했는지 확인하는 함수 ioctl : 읽기/쓰기가 아닌 장치마다 필요한 명령을 내리는데 사용하는 함수 mmap : 장치의 메모리와 프로세서의 메모리를 mapping함 open : 장치 열기 flush : 장치를 해제 release : 장치를 닫음 fsync : 장치를 flush함 rock : readv : 파일 기술자 fd 에서 데이터를 읽고 그 결과를 vector 가 가리키는 버퍼에 삽입 writev : vector 가 가리키고 있는 버퍼에서 파일 기술자 fd 에 데이터를 씀 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

21 문자 디바이스 제작방법 Open에서 할 일: Release에서 할 일: 처음으로 장치를 연 경우 장치 초기화
Minor번호를 확인하고 필요한 경우 f_op 포인터 수정 필요한 경우 메모리를 할당받아 filp-private_data삽입 참조 횟수(usage count)를 증가 Release에서 할 일: 참조 횟수를 감소 Filp-private_data에 할당된 데이터가 있으면 삭제 Close하는 경우 장치 종료 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

22 문자 디바이스 제작방법 Read의 return value Write 요구한 만큼 읽은 경우 count와 같은 값을 리턴
EOP(end of file)인 경우 0을 리턴 에러가 발생하면 음수 리턴 Write 요구한 만큼 기록한 경우 count와 같은 값을 리턴 요구한 크기보다 적게 쓴 경우 count보다 작은 양수 리턴 하나도 쓰지 못한 경우 0 리턴, write()함수 재시도 에러가 발생한 경우 음수 리턴 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

23 모듈 프로그래밍 모듈 프로그래밍의 필요성 리눅스 커널은 모노리딕 커널, 마이크로 커널 방식이 아님
monolithic Kernel 모든 기능이 커널 내부에 구현 사소한 커널 변경에도 커널 컴파일과 리부팅 필요 커널의 크기가 너무 큼 일부 사용되지 않는 기능이 메모리 상주 micro Kernel 높은 확장성과 동적 재구성이 용이 VxWorks, pSOS, VRTX, QNX, SROS Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

24 모듈 프로그래밍 모듈 프로그래밍의 역할 모듈 프로그래밍으로 모노리딕의 단점을 해결 커널의 일부 기능을 빼고 모듈로 구현
필요할 때만 적재시키므로 효과적인 메모리 사용 커널 영역에서 프로그래밍 방법 제공 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

25 모듈 프로그래밍 모듈 프로그래밍 명령어 요약 이 름 용 도 insmod module을 설치(install) rmmod
용 도 insmod module을 설치(install) rmmod 실행중인 modules을 제거(unload) lsmod Load된 module들의 정보를 표시 depmod Module들의 symbol들을 이용하여 Makefile과 유사한 dependency file을 생성 modprobe depmod명령으로 생성된 dependency를 이용하여 지정된 디렉토리의 module들과 연관된 module들을 자동으로 load modinfo 목적화일을 검사해서 관련된 정보를 표시 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

26 모듈 프로그래밍 모듈 프로그램의 동작 설명 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung
핵심 커널 하나의 함수 다른 함수들 데이터 init_module() register_capability() insmod capabilities() 펑션 포인터 데이터로 할당 펑션 콜 데이터 포인터 printk() … cleanup_module() unregister_capability() rmmod Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

27 모듈 프로그래밍 커널의 심볼 테이블에 등록 심볼 추가 등록에 사용되는 매크로 명령 커널 내부에서 별도로 관리
[커널 소스 디렉토리]/kernel/ksyms.c 에 등록 #cat /proc/ksyms 명령으로 등록된 심볼의 목록을 확인 심볼 추가 등록에 사용되는 매크로 명령 심볼 등록 매크로 설 명 EXPORT_SYMTAB 심볼 테이블을 등록하기 위해 소스코드에서 ‘linux/module.h’전에 정의 EXPORT_SYMBOL 심볼을 등록하는 매크로로써 커널 소스의 kernel/ksyms.c 파일을 통해 정의 EXPORT_NO_SYMBOL 모듈 프로그램에서 아무런 심볼 등록을 원하지 않을 경우 이 매크로를 삽입 Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

28 모듈 프로그래밍 현재 설치되어 있는 모듈을 확인 /sbin/lsmod 모듈 제작-> 오브젝트 파일 생성 모듈제거
/sbin/insmod my_driver.o 재확인: /sbin/lsmod 모듈제거 /sbin/rmmod my_driver my_driver.c 파일 예문 int init_module(void) extern char kernel_version[]; printk("module test\n"); return 0; Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

29 NFS(Network File System) 설치
NFS RPM설치후 rpm –ivh xxxx.i386.rpm setup system service선택 후 nfs[*]체크 vi /etc/exports /[공유폴더명] [보드의 IP](rw) /etc/rc.d/init.d/.nfs stop /etc/rc.d/init.d/.nfs start 보드상에서 접근 mount –t nfs –o nolock [호스트PC의 IP]:/[PC폴더명] /[보드폴더명] Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

30 예제 프로그램 소스 작성 vi Hello.c #include <linux/kernel.h>
#ifdef CONFIG_MODVERSIONS #define MODVERSIONS #endif int init_module(void) { printk(“<1>Hello, World\n”); return 0; } void cleanup_module(viod) printk(“<1>Goodbye\n”); Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

31 예제 프로그램 compile mount (soc보드상에서 작업) 테스트 (soc보드상에서 작업)
arm-linux-gcc –c –D__KERNEL__ -DMODULE –Wall –o2 –o hello.o hello.c mount (soc보드상에서 작업) nfs mount –t nfs –o nolock (pc의 IP):/(원본폴더명) /(다운받을 폴더명) minicom Ctrl + a, z 누른 후 파일 선텍 테스트 (soc보드상에서 작업) 모듈 설치 insmod hello.o *만약 모듈 버전이 다를 시 insmod –f 옵션 추가 로드된 모듈 리스트 보기 lsmod 모듈 제거 rmmod hello Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung

32 예제 프로그램 읽기 가능한 간단한 문자 디바이스 드라이버 제작
arm-linux-gcc –c –D__KERNEL__ -DMODULE –Wall –O2 –o sample.o sample.c arm-linux-gcc –o test test.c minicom이나 nfs를 이용해서 soc보드로 다운로드 insmod sample.o mknod /dev/sample_buf c 254 0 ./test sample_buf의 major number확인 방법 cat /proc/device (major number는 출력 결과에서 확인) cat /dev/sample_buf Hanbat National University Prof. Lee Jaeheung