Gerätetreiber-Reengineering für Microkernel- Betriebssysteme am Beispiel eines Linux-KGI- Treibers für den Microkernel GNU Hurd.

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1 Gerätetreiber-Reengineering für Microkernel- Betriebssysteme am Beispiel eines Linux-KGI- Treibers für den Microkernel GNU Hurd Diplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Ingenieur (FH) an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) Fachbereich Ingenieurswissenschaften Studiengang Technische Informatik Betreuer: Prof. Dr. Johann Schmidek vorgelegt von Olaf Buddenhagen Berlin, April 2010

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Einführung in die Architektur von GNU Hurd Multiserver-Architektur Capability-basiertes Objektsystem Voraussetzungen für Hurd-Programmierung Funktion der Standard-C-Library Die Prozess-Abstraktion von Hurd Interprozesskommunikation mit Mach-Ports Verwaltung von Mach-Ports Übermittlung von IPC-Messages Netzwerktransparente Interprozesskommunikation Aufbau der IPC-Messages Kernel-Aufrufe mit Hilfe von IPC Remote-Procedure-Calls als IPC-Abstraktion Grundlagen der RPC-Implementierung mit MIG Datentypen in den Interface-Definitionen Definition und Verwendung von RPC-Interfaces Subsystems und Request-IDs Aufruf den MIG-Compilers Beeinflussen der StubrErzeugung Namensgebung der Server-Funktionen RPC-Stubs in der C-Library von Hurd Funktionsweise des User-Konzepts Funktionsweise von Dateisystemen bei Hurd Der Translator-Mechanismus Die Dateisystem-Schnittstellen von Hurd Der Mechanismus zum Auflösen von Dateinamen Funktionsweise von Dateirechten bei Hurd Anwendungsgebiete für Translators Implementieren von Hurd-Translators Verwaltung von Server-Ports mit libports Umsetzung von Translators auf Basis von libtrivfs Konstanten und Callback-Funktionen Das Hauptprogramm eines Translators Verwaltung von Client-Sessions Verwaltung von virtuellem Speicher in Mach 31

3 Verwaltung von Speicher mit Memory-Objects Mappen von Dateien bei Hurd Erstellen von eingeschränkten Memory-Ob jects Hardwarezugriff unter Mach Verwenden der in Mach implementierten Treiber Abstaktion von Hardware-Treibern in Hurd Abstraktion von Massenspeichern Abstraktion von Netzwerk-Schnittstellen Hardwarezugriff im Userspace Scheduling von Prozessen bei Mach Emulation von ioctl()-aufrufen Der Console-Layer von Hurd Der Boot-Vorgang bei Hurd 44 Grundlagen der Grafiktreiber-Programmierung Funktionsweise von Grafikkarten Einsatz des Grafikspeichers Erzeugung der Video-Signals Funktionsweise der Bildübertragung Zeitliche Parameter des Signals Bestimmung der Parameter Bestandteile von VGA-Grafikkarten 50 3:1.4 Abweichende Eigenschaften heutiger SVGA-Grafikkarten Änderungen bei der Erzeugung des Bildinhalts Änderungen bei der Erzeugung des Video-Signals Das Video-BIOS von SVGA-Grafikkarten Bussysteme für Grafikkarten Der ISA-Bus Der VL-Bus Der PCI-Bus Der AGP Der PCI-Express-Bus Methoden des Hardwarezugriffs Hardwarezugriff mit MMIO Direkte Hauptspeicher-Zugriffe durch Hardware-Komponenten Verbesserte DMA-Verwaltung mit IOMMUs Implementierungen von DMA-Fähigkeiten Hardware-Zugriff über I/O-Ports Verarbeitung von Interrupt-Requests Der Umgang mit Shared-Interrupts Ansteuerung von Grafik-Hardware Programmierung von Grafikmodi Erzeugen den Bildinhalts Datenübertragung zwischen Hauptprozessor und Grafikprozessor Datenaustausch über MMIO Datenaustausch über DMA 66 n

4 Synchronisation von Speicherzugriffen Zugriff auf den PCI-Configuration-Space 68 Ist-Analyse und Beschreibung von GGI und KGI Flexible Ausgabemöglichkeiten mit Display-Targets in libggi Eingabe-Behandlung mit GII Das Modulsystem von libggi und libgii Das Build-System von libggi Benutzung anderer APIs mit GGI Das Kernel-Graphics-Interface, Verfügbarkeit von Dokumentation Abstraktion in KGI Hardwarezugriff in den KGI-Treibern Zugriff auf den Grafikspeicher Verwendung von I/O-Ports Verwendung von Interrupts Direkter Hardwarezugriff durch Clients Der Console-Layer von KGI Von KGI implementierte Device-Files Wechsel zwischen virtuellen Konsolen Die Input-Behandlung des Console-Layers Nutzwert des Console-Layers von KGI Userspace-Schnittstelle von KGI Einbinden der Grafikkarten-Treiber in KGI Verwaltung der Displays Festlegen und Setzen von Grafikmodi Verwaltung von Hardware- und Treiber-Ressourcen Implementierung von Grafikkarten-Treibern mit dem KGIM-Framework Die Behandlung von Monitor-Parametern Setzen von Grafikmodi mit KGIM-Treibern Das Modulsystem von KGIM Generische Schnittstelle für KGIM-Module Verbinden der einzelnen Treiber-Bestandteile Portabilitätsmechanismen im KGI-Code Das eigenständige Quellcode-Archiv für KGIM-Treiber Das Build-System für die KGIM-Treiber Das KGI-Backend von libggi Der Matrox-Treiber von KGI 105 Soll-Analyse: Userspace-Treiber auf GNU Hurd Zugriff auf I/O-Ports Zugriff auf Memory-Mapped I/O Zugriff auf den PCI-Configuration-Space Behandlung von Interrupts Level-Triggered-Interrupts bei Userspace-Treibern Shared-Interrputs mit Userspace-Treibern Bedeutung von Interrupts bei Grafiktreibern 114 m

5 5.6 Einsatz von DMA Bereitstellen von DMA-tauglichen Speicherbereichen Sicherheits-Implikationen von DMA DMA unter Einsatz einer IOMMU Vermeidung von Paging in kritischen Pfaden Pinning von DMA-Buffers Bedeutung von Pinning bei Grafiktreibern Anforderungen an das CPU-Scheduling Client-Schnittstellen in Userspace-Treibern Mögliche Ansätze für Hardware-Abstaktion Mögliche Ansätze für Multiplexing Implementieren von Device-Files Emulation von Mach-Devices Einsatz von Dateisystem-Schnittstellen Abhängigkeiten zwischen Userspace-Treibern Abhängigkeiten im normalen Betrieb Schwierigkeiten beim Systemstart Ausgabe ven Kernel-Meldungen 129 Entwurf Implementierung im Kernel-Space oder im Userspace Verwendung von POSIX-Schnittstellen Linux- oder FreeBSD-Implementierung als Ausgangsbasis Ziel der Portierung Wahl des Versuchs-Treibers Portierung der Beschleuniger-Funktionalität Abstraktion der Hardware Multiplexing mehrerer Clients Implementierung eines Console-Layers Implementierung eines GGI-Backends für die Hurd-Konsole Implementierung virtueller Konsolen Organisation der Treiber-Prozesse Modularisierung der Treiber Vorgehen beim Linken der Module Schnittstelle zwischen KGI-Server und Clients Implementierung als Translator Verwenden normaler Dateisystem-Schnittstellen Verwenden von ioctl()-requests oder nativen RPCs Verwenden eines oder mehrerer Dateisystem-Nodes Einsatz von Client-Sessions Verwalten der Modusdaten verschiedener Clients Feinentwurf der Client-Schnittstelle Verwaltung von Client-Sessions Client-Aufrufe für das Modesetting Client-Aufrufe für das Mappen des Framebuffers Feinentwurf des KGI-Translators Verwendung des allgemeinen Codes von KGI 161 IV

6 6.15 Organisation der Quelldateien Anpassung des Build-Systems Umsetzung des Hardware-Zugriffs Zugriff auf den PCI-Configuration=Space Zugriff auf I/O-Ports und MMIO-Bereiche Weitergabe des Framebuffers an die Clients Anpassung des KGI-Backends von libggi Behandlung von kgi.defs Anpassund des Build-Systems Unterstützung ven XGGI Durchführung Vorgehen Portierung von KGI Vorbereitung des Build-Systems Hinzufügen der Unterstützung für Hurd Kompilieren eines eigenständigen Treiberprogramms Verbesserungen am Build-System Portieren der systemspezifischen Bestandteile von KGIM Portieren der KGI-Header Portieren der Datei System.c Zugriff auf den PCI-Configuration-Space Zugriff auf MMIO-Bereiche Behandlung von Interrupts Vervollständigen des Treiberprogramms Initialisieren des Treibers Testen der Modesetting-Funktionalität Mappen und Befüllen des Framebuffers Beheben von Treib er fehlem Wiederherstellen des Hardware-Zustands beim Beendenl Implementieren der Server-Funktionalität Implementieren der Modesetting-Schnittstelle Client-Zugriff auf den Framebuffer Testen der RPC-Schnittstelle Portieren des KGI-Backends von libggi Aktualisieren des KGI-Backends Implementieren der Hurd-Unterstützung Auswertung und Test Testen der Portierung Schlussfolgerungen Zusammenfassung und Ausblick 207 Glossar 209 Literaturzerzeichnis 213