디바이스 드라이버 (Device Driver)

디바이스 드라이버(Device Driver)

Lecture #10

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(1) Linux Kernel Module Programming

(2) Device Driver 정의

(3) Device Driver 종류

(4) Device Driver 작성

(5) 제작한 Device Driver 검증 파일 만들기

(6) Makefile 만들기

(7) Driver 를 커널에 모듈로 등록 및 해제하기

목 차

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리눅스 커널 (Linux Kernel) 모노리스 커널 (Monolithic Kernel)

cf) 마이크로 커널 (Micro-kernel) 커널의 기능을 확장하기 위해서는 커널 재컴파일이 필요

디바이스 드라이버를 추가하기 위해서도 커널 재컴파일이 필요 일반 사용자의 경우 , 커널 재컴파일 과정이 어려움

커널 모듈 (Kernel Module) 실행시간에 커널을 확장하기 위해 사용하는 오브젝트 모듈 커널이 실행 중에 동적으로 로딩하여 커널과 링크함으로써

커널의 기능을 확장하여 사용할 수 있으며 , 불필요 시에 커널과의 링크를 풀고 메모리에서 제거할 수 있다 커널 재컴파일이 필요없이 커널 기능 확장이 가능

Kernel Module 정의 (1)

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커널 모듈 (Kernel Module) ( 계속 ) 명시적인 커널 모듈 설치 및 제거 과정이 필요

Insmod / rmmod 명령어 디바이스 드라이버 , 파일시스템 , 네트워크 프로토콜 스택

등에 적용 커널 경량화를 위해 반드시 필요 임베디드 시스템의 경우 , 제한적인 자원으로 인해 커널 등

시스템 소프트웨어의 최소화가 필요


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커널 모듈 프로그래밍 커널 모듈은 커널 모드에서 실행됨으로 커널 프로그래밍에

준하여 작성되어야 한다 모듈 프로그래밍의 주의 사항 :

무제한적인 메모리 접근 메모리 접근 오류는 시스템에 치명적인 손상을 줄 수 있음

커널 함수 호출에 따른 에러 코드 검사 실수 연산 및 MMX 연산 사용 불가 제한적인 커널 스택 크기

크기가 큰 배열 사용 회피 동적 할당 방법을 이용 재귀 호출 회피

상이 플랫폼 고려 32 bit 및 64 bit 환경 바이트 순서 – big-endian 또는 little-endian 프로세서에 특화된 명령어 사용 회피

버전 종속성 - 커널 버전에 따라 모듈 버전이 다름


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커널 모듈 버전 종속성 (Version Dependency) 커널 버전에 따라 지원되는 커널 함수의 종류나 프로토 타입이

다르기 때문에 다른 버전의 커널에 모듈을 링크하려면 모듈 재컴파일이 필요

모듈을 커널에 설치할 때에 버전 검사 수행 커널 버전과 모듈 버전이 일치하지 않는 경우에 모듈을 설치할 수

없음 커널 모듈 프로그램의 버전 정의

커널 ver.2.0 이상에서는 <linux/module.h> 헤드 파일에서 char kernel_version[ ] 변수에 커널 버전을 정의

커널 모듈 프로그램에서 위의 헤드 파일을 including#include <linux/module.h>

커널 버전 정의는 전체 모듈에서 한번만 정의되어야 함


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커널 모듈 버전 종속성 (Version Dependency) ( 계속 ) 커널 버전에 따른 종속적인 동작 정의

<linux/version.h> 에서 정의된 매크로 LINUX_VERSION_CODE 사용#ifdef LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(2,4,0)

// 리눅스 ver.2.4.0 이상일 때의 코드 #else // 리눅스 ver.2.4.0 미만일 때의 코드 #endif


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커널 모듈 구성 커널 기능을 확장한 함수와 자료 구조로 구성

main() 함수는 없는 독립된 프로그램 모듈 init_module()/cleanup_module() 함수 존재

init_module() 함수 모듈이 설치될 때에 자동적으로 호출 / 모듈 초기화 등의 기능 수행

cleanup_module() 함수 모듈을 삭제할 때에 자동적으로 호출 / 모듈 제거에 따른 cleanup

작업을 수행 기본적인 구성

Kernel Module 작성 (1)

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

/* global variables */

…

int init_module(void) { }

void cleanup_module(void) { }

…

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커널 모듈 구성 ( 계속 ) 커널 ver.2.4 이상에서는 module_init() / module_exit()

매크로 지원 함수 이름에 의한 종속 관계를 해결 module_init() 매크로 : startup 함수 등록 module_exit() 매크로 : cleanup 함수 등록


#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

/* global variables */

…

int module_start() { /* 모듈이 설치될 때에 초기화를 수행하는 코드 */ }

int module_end() { /* 모듈이 제거될 때에 반환작업을 수행하는 코드 */ }

module_init(module_start);

module_exit(module_end);

…

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커널 모듈 구성 ( 계속 ) 모듈 프로그램의 Makefile

-c : 링커를 호출하지 않고 오브젝트 모듈만 생성 -O : 최적화 옵션 지정 ( 최대 O2) 컴파일 매크로 : __KERNEL__ , MODULE, LINUX


CC = arm_linux_gcc

INCLUDEDIR = /kernel_source_dir/include

CFLAGS := -c -O –Wall –D__KERNEL__ –DMODULE –DLINUX -I$(INCLUDEDIR)

OBJS = hello.o

all : $(OBJS)

clean : rm –f *.o *.~커널

프로그램임을 명시하는 매크로

모듈 프로그램임을

명시하는 매크로

Linux 플랫폼에서 동작하는 모듈임을

정의하는 매크로

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커널 모듈 설치 및 제거 관련 쉘 명령어

Kernel Module 설치 및 제거 (1)

이 름 용 도

insmod module 을 설치 (install)

rmmod 실행중인 modules 을 제거 (unload)

lsmod Load 된 module 들의 정보를 표시

depmodModule 들의 symbol 들을 이용하여 Makefile 과 유사한 dependency file 을 생성

modprobedepmod 명령으로 생성된 dependency 를 이용하여 지정된 디렉토리의 module 들과 연관된 module 들을 자동으로 load

modinfo 목적 파일을 검사해서 관련된 정보를 표시

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커널 모듈 설치 및 제거 ( 계속 ) 설치된 모듈은 ‘ /proc/modules’ 파일에 기록된다 ‘/proc/modules’ 파일을 이용한 현재 설치된 모듈을 확인 가능

#cat /proc/modules

Kernel Module 설치 및 제거 (2)

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커널 모듈 프로그램 작성 모듈 적재 및 제거 시에 간단한 메시지 로그를 출력하는 모듈

작성 구현 방법

모듈 적재 시에 호출되는 init_module() 함수에서 printk() 함수를 이용하여 모듈 로딩 (loading) 메시지를 출력한다

모듈 제거 시에 호출되는 cleanup_module() 함수에서 같은 방법으로 모듈 언로딩 (unloading) 메시지를 출력한다

모듈 작성 및 테스트1. 모듈 프로그램 소스 파일 hello_m.c 을 작성한다

Kernel Module 프로그래밍 (1)

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커널 모듈 소스 (hello_m.c)

#include <linux/module.h> /* Needed by all modules */#include <linux/kernel.h> /* Needed for KERN_ALERT */

int init_module(void){printk("<1>hello module loaded\n");

// A non 0 return means init_module failedreturn 0;

}

void cleanup_module(void){printk(KERN_ALERT "hello module unloaded\n");

}

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함수 printk() 의 인수 : File "/lib/modules/`uname –r`/build/include/linux/kernel.h"에 정의

#define KERN_EMERG "<0>" /* system is unusable */

#define KERN_ALERT "<1>" /* action must be taken immediately */

#define KERN_CRIT "<2>" /* critical conditions */

#define KERN_ERR "<3>" /* error conditions */

#define KERN_WARNING "<4>" /* warning conditions */

#define KERN_NOTICE "<5>" /* normal but significant condition */

#define KERN_INFO "<6>" /* informational */

#define KERN_DEBUG "<7>" /* debug-level messages */

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매크로 module_init/module_exit 사용

#include <linux/module.h> // Needed by all modules#include <linux/kernel.h> // Needed for KERN_ALERT#include <linux/init.h> // Needed for the macros

static int hello_init(void){ printk(KERN_ALERT “hello module loaded\n”); return 0;}

static void hello_exit(void){ printk(KERN_ALERT “hello module unloaded\n”);}

module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);

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모듈 작성 및 테스트2. Makefile 을 작성하고 컴파일을 수행한다


TARGET = hello_mWARN = -Wall -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypesINCLUDE = -isystem /lib/modules/`uname -r`/build/includeCFLAGS = -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ ${WARN} ${INCLUDE}CC = arm_linux_gcc

$(TARGET).o: $(TARGET).c

clean:rm -rf $(TARGET).o

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모듈 작성 및 테스트3. 모듈 ‘ hello_m.o’을 다운로드하고 다음과 같이 테스트한다

모듈 load 명령 줄# insmod hello.o

모듈 load 확인 명령 줄# lsmodModule Size Used byhello 368 0 (unused)

모듈 unload 명령 줄# rmmod hello

printk() 메시지 확인# tail -2 /var/log/messagesOct 12 17:54:29 kernel: hello module loadedOct 12 17:54:45 kernel: hello module unloaded

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리눅스 디바이스

디바이스 (device) 는 키보드 , 마우스 , 터미널 , 프린터 , 디스크 등과 같은 하드웨어 주변 장치를 말함

리눅스에서 디바이스의 사용 – 각 디바이스를 대변하는 디바이스 파일에 파일 입출력 시스템 호출 (예 : open/read/close 등 ) 을 사용

디바이스 분류 - character( 문자 )/block(블록 )/network(네트워크 )

디바이스 번호 - character/block device 는 major/minor 번호를 가짐

디바이스 특수 파일 생성 - "mknod 파일이름 분류 major minor"

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디바이스 파일 (/dev)

lrwxrwxrwx 1 root root 5 4 월 12 21:26 mouse ->

psaux

brw-rw---- 1 root disk 3, 0 1 월 30 2003 hda

brw-rw---- 1 root disk 3, 64 1월 30 2003 hdb

brw-rw---- 1 root disk 8, 0 1월 30 2003 sda

brw-rw---- 1 root disk 8, 16 1월 30 2003 sdb

brw-rw---- 1 ecl1 floppy 2, 0 1월 30 2003 fd0

brw-rw---- 1 ecl1 floppy 2, 1 1월 30 2003 fd1

crw-rw---- 1 root lp 99, 0 1월 30 2003 parport0

crw-rw---- 1 root lp 99, 1 1월 30 2003 parport1

crw--w---- 1 root root 4, 0 1월 30 2003 tty0

crw------- 1 root root 4, 1 4월 19 18:05 tty1

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물리적인 hardware 장치를 다루고 관리하는 커널 프로그램 user application 이 driver 에게 요청을 하면 , driver 는 hardware 를 구동시켜서 목적을 달성 디바이스와 응용 프로그램 사이에 존재하여 데이터 전달 등의

기능을 담당 디바이스 파일에 대한 입출력 시스템 호출 (예 : open/ read

/write/close 등 ) 을 제공 디바이스의 복잡하고 고유한 특성을 사용자에게 숨기고

디바이스 입출력 프로그래밍을 일반 파일 입출력 프로그램과 유사하게 , 쉽게 하게함

Device Driver 정의 (1)

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Device Driver 정의 (2)

task

System call interface

File system

Block Driver

task task

Char Driver

DDI (device driver interface)

task

Network Driver

terminal keyboard Hard disk CD-ROM ethernet

User application

level

Kernel level

Hardware level

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Device Driver 종류

Driver종류 설 명

Char Driver

device 를 file 처럼 취급하고 접근하여 직접 read/write 를 수행 , data 형태는 stream 방식으로 전송EX) console, keyboard, serial port driver 등

Block Driver

disk 와 같이 file system 을 기반으로 일정한 blcok 단위로 data read/write 를 수행EX) floppy disk , hard disk, CD-ROM driver 등

Network Driver

network 의 physical layer 와 frame 단위의 데이터를 송수신EX) Ethernet device driver(eth0)

등록함수명

register_chrdev()

register_blkdev()

register_netdev()

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기본적인 device driver 의 형태

Device Driver 작성 (1)

Device Opertations

static struct file_operations device_fops={ open : device_open, release : device_release, read : device_read, write : device_write,};

Function Prototypes

static int device_open(); static int device_release(); ssize_t device_read(); static ssize_t device_write(); int init_function(); void cleanup_function();

Module 제거 시 반환작업 수행 module_exit(cleanup_function)

Module 설치 시 초기화 수행 module_init(init_function)

Header Files

#include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/init.h>

Printf 와 같은 기능의 커널 코드를 위한 함수

필요한 header. 모듈소스가 include

해야함

insmod 로 모듈을 적재하면 이 함수가 불려진다 . 이 함수 안에서 regiseter_chrdev() 커널 함수를 뷸러서 모둘을 적재한다 .

rmmod 로 적재된 모듈을 삭제할 경우 이 함수가

불려진다 . unregister_chrdev() 커널 함수를 불려서

모듈을 삭제한다 .

“ 파일시스템”헤더는 디바이스 드라이버를

쓰는데 필요한 헤더파일

application 에서 쓰는 함수와 driver 에서 쓰는

함수를 mapping

Module_init() 과 module_exit() 정의됨

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#include <linux/module.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/init.h>#define DEV_NAME "test_dd"

int test_major = 0;

int result; ///////////// 함 수 정 의 //////////////int device_open (struct inode *inode, struct file *filp);int device_release (struct inode *inode, struct file *filp);ssize_t device_read (struct file *filp, unsigned int *buf, size_t count, loff_t *f_pos);ssize_t device_write (struct file *filp, unsigned int *buf, size_t count, loff_t *f_pos);int device_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned int arg);int sample_init();void sample_cleanup();


모듈을 커널에 적재하는 함수 register_chrdev() 의 parameter 로써 0 으로 설정하면 major값을 뒤에서부터 자동으로 빈자리로 등록시킨다

register_chrdev() 함수가 return 하는 값을 넘겨받음 . 0보다 적으면 모듇 등록 실패

application 에서 kernel 로부터 넘어온 값을 처리하는 함수

application 에서 open() 함수로 driver 를 호출할때 실행되는 함수

application 에서 close()함수로 driver 를 닫을때

실행되는 함수

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int device_open (struct inode *inode, struct file *filp){

printk("test_open start!!!\n");MOD_INC_USE_COUNT;return 0;

}int device_release (struct inode *inode, struct file *filp){

MOD_DEC_USE_COUNT;return 0;

}ssize_t device_read (struct file *filp, unsigned int *buf, size_t count, loff_t *f_pos){

printk("read() ^^\n");return 0;

}ssize_t device_write (struct file *filp, unsigned int *buf, size_t count, loff_t *f_pos){

return 0;}


이 함수가 호출될때마다 count 가 증가한다 .

이 함수가 호출될때마다 count 가 감소한다 .

Application 에서 read 함수를 호출하면 terminal 에 문자 출력

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int device_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned int arg)

{printk("ioctl() ^^\n");return 0;

}

struct file_operations test_fops = { open: device_open, read: device_read, write: device_write, ioctl: device_ioctl, release: device_release,};

module_init(sample_init);module_exit(sample_cleanup);


Ioctl() 호출이 성공하면 문자 출력

파일연산구조체는 char device driver 에 대한 모든 연산을 포함한다 . 즉 여기에 정의된

함수를 통해서 커널이 접근하게 된다 . 즉 application 에서 open 함수를 호출하면 이는 dri

ver 의 test_open() 과 mapping 되어있어 이를 실행하게 된다 .

insmod로 불려지는 함수

rmmod로 불려지는 함수

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int sample_init(void){ result = register_chrdev(test_major, DEV_NAME, &test_fops);

if (result < 0) { printk(KERN_WARNING "%s: can't get major %d\n", DEV_NAME, test_major); return result; }

printk("<1> init module success!!.. %s major number : %d\n", DEV_NAME, result); return 0; }void sample_cleanup(void){ if( !unregister_chrdev(result, DEV_NAME) )

printk("%s cleanup_module success...\n", DEV_NAME); else

printk("%s cleanup_module fail...\n", DEV_NAME);}


driver 를 커널에 모듈로 등록하는 함수 , result 에

major 값이 넘어옴

driver 를 커널에서 삭제하는 함수

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구조체 struct file_operationsstatic struct file_operations skeleton_fops ={ THIS_MODULE, /* struct module *owner;*/ NULL, /* skeleton_llseek */ skeleton_read, /* skeleton_read */ skeleton_write, /* skeleton_write */ NULL, /* skeleton_readdir */ NULL, /* skeleton_poll */ skeleton_ioctl, /* skeleton_ioctl */ NULL, /* skeleton_mmap */ skeleton_open, /* skeleton_open */ NULL, /* skeleton_flush */ skeleton_release, /* skeleton_release */ NULL, /* skeleton_fsync */ NULL, /* skeleton_fasync */ NULL, /* skeleton_lock */ NULL, /* skeleton_readv */ NULL /* skeleton_writev */};

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#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <errno.h>

int fd;

int main(int argc, char **argv) {

if( (fd = open("/dev/testdd", O_RDWR)) < 3) {fprintf(stderr, "/dev/testdd device file open error!! .. %s\n",strerror(errn

o));return 0;

} read(fd, 0, 0); ioctl(fd, NULL,0); close(fd); return 0;}

Device Driver 검증 프로그램 만들기(1)

mknod 를 통하여 /dev 에 만들어진 node(file) 을 open 한다 .

File 에 대한 제어와 설정

Error 에 관한 header file

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Compile Options

%arm-linux-gcc –c –D__KERNEL__ -DMODULE –Wall –O2 –o test_dd.o test_dd.c


모듈은 test_dd.o로 컴파일 되어야 하므로 – c 옵션

사용

test_dd 는 커널에서 동작하고 모듈에 사용된다는 뜻

경고를 다 출력해준다는

의미

Compile 과정에서 inlne 함수를 확장할

때 최적화함

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CC =arm-linux-gcc

INCLUDEDIR = /usr/local/pza255/linux-2.4.19-huins/include

CFLAGS = -D__KERNEL__ -DMODULE -Wall -O2

CFLAGS2 = -I.. -I$(INCLUDEDIR)

All: test_dd test_app

test_dd : test_dd.c$(CC) $(CFLAGS) $(CFLAGS2) -c -o test_dd.o test_dd.c

test_app : test_app.c$(CC) -o test_app test_app.c

clean :rm -rf test_dd.o test_app


Macro 부분 C 에서 define 역할

Command 부분파일들의 dependency 를 설정

target

command

주의할 점은 이 공백은 반드시

Tab 공백

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Char Device Driver 등록 방법 외부와 device driver 는 file interface (node 를 의미 ) 를 통해 연결 Device driver 는 자신을 구별하기 위해 고유의 major number 를

사용

장치의 등록과 해제 등록 : int register_chrdev(unsigned int major, const char

*name, stuct file_operations *fops) Major : 등록할 major number. 0 이면 사용하지 않는 번호 중

자동으로 할당 Name : device 의 이름 Fops : device 에 대한 file 연산 함수들

해제 : int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)

Device Driver 등록 및 해제 (1)

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kernel

device driver

file operations device_open device_close device_read device_write

systemcall

userprogram

openclosereadwrite

device

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Major number 와 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 number 를 가져야 함 register_chrdev() 로 장치를 등록할 때 major number 를 지정 같은 major number 가 등록되어 있으면 등록 실패 Major 와 minor 번호는 파일의 정보를 담고 있는 inode 의 i_rdev

에 16bit 로 저장된다 . 상위 8bit 는 major, 하위 8bit 는 minor이다 .


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mknod 명령으로 디바이스 드라이버에 접근할 수 있는 장치 파일 생성 mknod [device file name] [type] [major] [minor]

Ex] %mknod testdd c 252 0

mdev_t : 장치의 major, minor number 를 표현하는 자료구조 MAJOR() : kdev_t 에서 major number 를 얻어내는 매크로

Ex] MAJOR(inode->i_rdev);

MINOR() : kdev_t 에서 minor number 를 얻어내는 매크로

cat /proc/devices 명령으로 현재 로드된 디바이스 드라이버 확인

C 는 char device drive 의미 , block device drive 는 b 를 사용


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/usr/lcoal/pxa255/linux-2.4.19-cd/include/linux/fs.h

앞에서 작성했던 driver 에 사용된 파일연산 함수


38

Device Driver 의 동작 과정


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앞에서 만든 드라이버 소스를 test_dd.c, test application 은 test_app.c, 그리고 makefile 은 Makefile 로 작성 후 저장한다 .

make 명령어를 이용하여 위의 2 files 을 컴파일한다 .% make

생성된 test_dd.o 와 test_app 를 target 으로 전송한다 . 전송방식은 앞에서 배웠던 minicom 또는 nfs 방식을 이용한다 . 밑에서는 nfs 방식을 통하여 파일을 전송하였다 .


40

Module 을 kernel 에 적재 major

number는 253

Test application 에서 open() 로 이 nod를 연다 . 이 nod 로 application 과

hardware 가 만남

ls 명령으로 nod 가 잘 만들어졌는지 확인 . 253 은 m

ajor 번호

결과 화면


디바이스 드라이버 (Device Driver)

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Transcript of 디바이스 드라이버 (Device Driver)