Как написать свой первый Linux device driver
Здравствуйте, дорогие хабрачитатели.
Цель данной статьи — показать принцип реализации драйверов устройств в системе Linux, на примере простого символьного драйвера.
Для меня же, главной целью является подвести итог и сформировать базовые знания для написания будущих модулей ядра, а также получить опыт изложения технической литературы для публики, т.к. через полгода я буду выступать со своим дипломным проектом (да я студент).
Это моя первая статья, пожалуйста не судите строго!
Получилось слишком много букв, поэтому я принял решение разделить статью на три части:
Часть 1 — Введение, инициализация и очистка модуля ядра.
Часть 2 — Функции open, read, write и trim.
Часть 3 — Пишем Makefile и тестируем устройство.
Перед вступлением, хочу сказать, что здесь будут изложены базовые вещи, более подробная информация будет изложена во второй и последней части данной статьи.
Подготовительные работы
Спасибо Kolyuchkin за уточнения.
Символьный драйвер (Char driver) — это, драйвер, который работает с символьными устройствами.
Символьные устройства — это устройства, к которым можно обращаться как к потоку байтов.
Пример символьного устройства — /dev/ttyS0, /dev/tty1.
К вопросу про проверсию ядра:
Драйвер представляет каждое символьное устройство структурой scull_dev, а также предостовляет интерфейс cdev к ядру.
Устройство будет представлять связный список указателей, каждый из которых указывает на структуру scull_qset.
Для наглядности посмотрите на картинку.
Для регистрации устройства, нужно задать специальные номера, а именно:
MAJOR — старший номер (является уникальным в системе).
MINOR — младший номер (не является уникальным в системе).
В ядре есть механизм, который позволяет регистрировать специализированные номера вручную, но такой подход нежелателен и лучше вежливо попросить ядро динамически выделить их для нас. Пример кода будет ниже.
После того как мы определили номера для нашего устройства, мы должны установить связь между этими номерами и операциями драйвера. Это можно сделать используя структуру file_operations.
В ядре есть специальные макросы module_init/module_exit, которые указывают путь к функциям инициализации/удаления модуля. Без этих определений функции инициализации/удаления никогда не будут вызваны.
Здесь будем хранить базовую информацию об устройстве.
Последним этапом подготовительной работы будет подключение заголовочных файлов.
Краткое описание приведено ниже, но если вы хотите копнуть поглубже, то добро пожаловать на прекрасный сайт: lxr
Инициализация
Теперь давайте посмотрим на функцию инициализации устройства.
Первым делом, вызывая alloc_chrdev_region мы регистрируем диапазон символьных номеров устройств и указываем имя устройства. После вызовом MAJOR(dev) мы получаем старший номер.
Далее проверяется вернувшееся значение, если оно является кодом ошибки, то выходим из функции. Стоит отметить, что при разработке реального драйвера устройства следует всегда проверять возвращаемые значения, а также указатели на любые элементы (NULL?).
Если вернувшееся значение не является кодом ошибки, продолжаем выполнять инициализацию.
Выделяем память, делая вызов функции kmalloc и обязательно проверяем указатель на NULL.
Стоит упомянуть, что вместо вызова двух функций kmalloc и memset, можно использовать один вызов kzalloc, который выделят область памяти и инициализирует ее нулями.
Продолжаем инициализацию. Главная здесь функция — это scull_setup_cdev, о ней мы поговорим чуть ниже. MKDEV служит для хранения старший и младших номеров устройств.
Возвращаем значение или обрабатываем ошибку и удаляем устройство.
Выше были представлены структуры scull_dev и cdev, которые реализуют интерфейс между нашим устройством и ядром. Функция scull_setup_cdev выполняет инициализацию и добавление структуры в систему.
Удаление
Функция scull_cleanup_module вызывается при удалении модуля устройства из ядра.
Обратный процесс инициализации, удаляем структуры устройств, освобождаем память и удаляем выделенные ядром младшие и старшие номера.
С удовольствием выслушаю конструктивную критику и буду ждать feedback’a.
Если вы нашли ошибки или я не правильно изложил материал, пожалуйста, укажите мне на это.
Для более быстрой реакции пишите в ЛС.
Как написать свой первый Linux device driver. Часть 2
В предыдущей части мы рассмотрели базовые структуры, а также написали инициализацию и удаление устройства.
В данной статье мы добавим в наш драйвер функции открытия scull_open, чтения/записи scull_read/scull_write и получим первый рабочий драйвер устройства.
Хочу выразить благодарность всем пользователям, которые прочитали, лайкнули и прокомментировали мою предыдущую статью. Отдельное спасибо за уточнения Kolyuchkin и dlinyj.
В прошлый раз поступило предложение не рассматривать подробно внутренности каждой функции, поэтому в данной статье я попытаюсь представить их в более широком смысле.
Сразу к делу!
В предыдущей статье мы не рассмотрели одну функцию, которая является частью scull_cleanup_module, а именно scull_trim. Как вы можете наблюдать в функции присутствует цикл, который просто проходится по связному списку и возвращает память ядру. Мы не будем заострять тут наше внимание. Главное впереди!
Перед рассмотрением функции sull_open, я хотел бы сделать маленькое отступление.
Многое в системе Linux может быть представлено в виде файла. Какие операции чаще совершаются с файлами — открытие, чтение, запись и закрытие. Также и с драйверами устройств, мы можем открыть, закрыть, прочитать и записать в устройство.
Поэтому в структуре file_operations, мы видим такие поля как: .read, .write, .open и .release — это базовые операции, которые может выполнять драйвер.
Функция scull_open
Функция принимает два аргумента:
- Указатель на структуру inode. Структура inode — это индексный дескриптор, который хранит информацию о файлах, каталогах и объектах файловой системы.
- Указатель на структуру file. Структура, которая создается ядром при каждом открытии файла, содержит информацию, необходимую верхним уровням ядра.
Главной функцией scull_open является инициализация устройства (если устройство открыто первый раз) и заполнение необходимых полей структур для его корректной работы.
Так как наше устройство ничего не делает, то нам и нечего инициализировать:)
Но чтобы создать видимость работы, мы выполним несколько действий:
В выше приведенном коде с помощью container_of мы получаем указатель на cdev типа struct scull_dev, используя inode->i_cdev. Полученный указатель записываем в поле private_data.
Далее, все еще проще, если файл открыт для записи — очистим его перед использованием и выведем сообщение о том, что устройство открыто.
Функция scull_read
Сейчас я постараюсь описать смысл использования функции read.
Так как наше устройство является символьным, то мы можем работать с ним как с потоком байтов. А что можно делать с потоком байтов? Правильно — читать. Значит, как понятно из названия функции, она будет читать из устройства байтики.
Когда вызывается функция чтения, ей передаются несколько аргументов, первый из них мы уже рассмотрели, теперь посмотрим на остальные.
buf — это указатель на строку, а __user говорит нам о том, что этот указатель находится в пространстве пользователя. Аргумент передает пользователь.
count — количество байтов, которые нужно прочитать. Аргумент передает пользователь.
f_pos — смещение. Аргумент передает ядро.
Т.е., когда пользователь хочет прочитать из устройства, он вызывает функцию read (не scull_read) при этом указывает буфер куда будет записана информация и количество читаемых байт.
Теперь немного подробнее рассмотрим код:
Первым делом идут проверки:
- Если смещение больше, чем размер файла, то, по понятным причинам, читать мы больше не можем. Выведем ошибку и выйдем из функции.
- Если сумма текущего смещения и размера данных для считывания больше размера кванта, то мы корректируем размер данных, подлежащих считыванию, и рапортуем сообщение наверх.
А вот и предмет разговора:
copy_to_user — копирует данные в buf (который находится в пространстве пользователя) из памяти, которую выделило ядро dptr->data[s_pos] размером count.
Если вам сейчас не понятны все эти переменные : s_pos, q_pos, item, rest — не беда, тут главное понять смысл функции read, а уже в 3 части статьи мы протестируем наш драйвер, и там уже будет понятно за что отвечает каждая из них. Но если вы хотите узнать об этом сейчас, вы всегда можете использовать printk (если вы понимаете, о чем я:)).
Функция scull_write
В виду того, что функция scull_write очень похожа на scull_read, и ее отличие от вышерассмотренной понятен из названия, я не буду расписывать эту функцию, а предлагаю вам осмыслить ее самостоятельно.
Все, мы написали полноценный бесполезный драйвер, внизу будет приведен полный код, а в следующей статье мы его протестируем.
После того как я прочитал статью, то понял, что получилось слишком много кода и лишних функций, поэтому ниже приведен максимально простой вариант реализации данного драйвера.
Опрос
Так сложились обстоятельства, что в данный момент у меня есть задачи по портированию драйверов устройств с одной версии ядра на другую. Интересно ли вам было бы прочитать как происходит этот процесс на конкретных примерах?
Если у вас уже есть такой опыт, вы можете поделиться им и написать мне, с какими вы столкнулись проблемами/ошибками при переносе драйверов устройств. А я в свою очередь постараюсь добавить ваш опыт в статью (обязательно укажу вас в ней).
Спасибо! 🙂
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.