Kernel Programmierung unter Linux Teil II Programmierung von Kernelmodulen

Transkript

1 Kernel Programmierung unter Linux Teil II Programmierung von Kernelmodulen Referent Klaus Ruhwinkel

2 Module, Built-In-Treiber, Treiber Ein Modul kann alles sein Ein Treiber hat I/O Aufgaben und unterscheidet sich so zum Modul Built-In-Treiber sind fest in den Kernel integriert, eine Änderung im Treiber setzt das neue Übersetzten des Kernel voraus Vorteile von ladbarem Code Das neue Übersetzen des Kernels ist nicht notwendig, damit braucht das System nicht neu gestartet werden direkter Zugriff auf das Modul nach dem Laden. 2

3 Fehlersuche I Debugger Mit dem Kerneldebugger kgdb Problem: es werden zwei Rechner benöqgt, Zielsystem und Host sind mit einer seriellen SchniSstelle verbunden. er ist noch experimentell und steht nicht für alle PlaWormen zur Verfügung. Mit dem Built-In-Debugger Problem Fehlersuche auf Assemblerebene Kernelsourcen müssen gepatcht werden DokumentaQon findet man unter DocumentaQon/<architecture>/kdb Debuggen nicht im X-Window, es ist nur über die Konsole möglich 3

4 Fehlersuche II printk(...) AkQve Fehlersuche mit der KernelfunkQon printk(...) Die Ausgabe von printk() wird in die Datei, abhängig von der DistribuQon, durch den rsyslog-daemon in die Datei /var/log/messages bzw. in die Datei / var/log/syslog oder auch /var/log/kern.log geschrieben. KonfiguraQonsdatei für den rsyslog-daemon ist /etc/syslog.conf oder im Verzeichnis /etc/syslog.d/... Befinden sich KonfiguraQonsdateien für verschiedene Programme etc. Die Loglevel des Kernels sind in der Datei include/linux/kern_levels.h definiert. Auszug aus der Headerdatei: #define KERN_EMERG KERN_SOH "0" /* system is unusable */ #define KERN_ALERT KERN_SOH "1" /* acqon must be taken immediately */ #define KERN_CRIT KERN_SOH "2" /* criqcal condiqons */ 4

5 Fehleruche III Besser ist die bedingte Übersetzung mit dem Präprozessor Dazu werden Makros aus den Headerdateien kernel.h und device.h genutzt pr_debug("modul entladen\n"); Diese Headerdateien müssen dazu mit #include<> eingebunden werden Das einfügen der Makros bedarf der zusätzlichen Variable EXTRA_CFLAGS im Makefile EXTRA_CFLAGS=-DDEBUG Beispiele für Makros aus der Datei include/linux/kernel.h #define dev_emerg_once(dev, fmt,...) \ dev_level_once(dev_emerg, dev, fmt, ## VA_ARGS ) #define dev_alert_once(dev, fmt,...) \ dev_level_once(dev_alert, dev, fmt, ## VA_ARGS ) #define dev_crit_once(dev, fmt,...) \ dev_level_once(dev_crit, dev, fmt, ## VA_ARGS ) #define dev_err_once(dev, fmt,...) \ dev_level_once(dev_err, dev, fmt, ## VA_ARGS ) 5

6 Kernelcode kodieren Innerhalb des Betriebssystemkerns steht die Standard C-Bibliothek nicht zur Verfügung Es gibt aber definierte FunkQonen im Verzeichnis lib/ zum Beispiel findet man dort die Datei string.c Im Kernel wird bevorzugt mit Ganzahlen gerechnet Es gibt im Kernelbereich begrenzte Speicherresourcen, größere Speicherreservierungen sind mit kmalloc(...) zu reservieren. Im Kernelbereich gibt es keinen Speicherschutz! Goto ist zu verwenden, wenn es dem Programmfluss förderlich ist Objektbasierte Programmierung und Entwurfsmuster im Kernel Es ist auf eine strikte Trennung zwischen den Daten und dem Code zu achten. Es gibt also einen Objektdatenbereich und ein ObjekqunkQonsbereich 6

7 Gerätenummern Den Modulen kann man selbst Gerätenummern in der init-funkqon mitgeben, bzw. man kann sie durch den Kernel generieren lassen. Die Gerätenummern werden unterschieden in Major- und Minornummern. Auszug aus /dev/ : c steht für Charakter Device Bsp: Device hpet: Major-Nr 10 Minor-Nr 228 Device lp0: Major-Nr 6 Minor-Nr 0 7

8 Gerätenummeren II Die Gerätenummern können auf zwei Arten reserviert werden. Manuell: Es ist vorher zu prüfen ob die Majornummer vergeben ist. Dazu kann die Datei /proc/modules genutzt werden. int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, AutomaEsiert: char *name); int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name); 8

9 Gerätenummern III Beispiel Manuel: sta9c dev_t fastgpio_dev_number = MKDEV(247,0); if( register_chrdev_region(fastgpio_dev_number,1,"fastgpio")<0 ) { } printk("devicenumber (247,0) in use!\n"); return -EIO; 9

10 Gerätenummern IV Beispiel AutomaQsiert: if (scull_major) { dev = MKDEV(scull_major, scull_minor); result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull"); } else { result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs, "scull"); scull_major = MAJOR(dev); } if (result < 0) { printk(kern_warning "scull: can't get major %d\n", scull_major); return result; } 10

11 BenöEgte Headerdateien und Strukturen I include/linux/cdev.h -> Char Device RegistraQon enthält die Stuktur cdev, welche der Kernel für die RepräsentaQon von char-devices benöqgt. struct cdev { }; struct kobject kobj; struct module *owner; const struct file_opera9ons *ops; struct list_head list; dev_t dev; unsigned int count; und zusätzliche FunkQonen, zur Erzeugung, Löschung dieser Objekte 11

12 BenöEgte Headerdateien und Strukturen II: include/linux/fs.h -> Filesystem Header enthält wichqge Strukturen und FunkQonen zum Schreiben von Devices. Wie: int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name); und die Struktur: sta9c struct file_opera9ons 12

13 BenöEgte Headerdateien und Strukturen III: Include/linux/device.h -> device.h - generic, centralized driver model ist die zentrale Headerdatei für Devices Include/linux/gpio.h -> General Purpose Input / Output ist die Headerdatei in der Strukturen und FunkQonen zur ManipulaQon der I/O s sta9c inline int gpio_request(unsigned gpio, const char *label) fängt Systemerror sta9c inline int gpio_direc9on_output(unsigned gpio, int value) iniqalisiert den Ausgangswert sta9c inline void gpio_free(unsigned gpio) gibt den Port frei sta9c inline void gpio_set_value(unsigned gpio, int value) setzt den Ausgang 13

14 BenöEgte Headerdateien und Strukturen IV: asm/uaccess.h -> user space memory access funcqons unsigned long copy_to_user(void user *to, const void *from, unsigned long count); unsigned long copy_from_user(void *to, const void user *from, unsigned long count); count ist die Anzahl der Bytes, die kopiert werden, Rückgabewert ist die Anzahl der nicht kopierten Zeichen, ansonsten null. 14

15 BenöEgte FunkEonen und Strukturen I: Es werden die untenstehenden FunkQonen für den Device-Treiber benöqgt: mod_init(): Makro das den Treiber IniQalisiert mod_exit(): Makro das den Treiber enqernt FunkQonen die durch Systemcalls angesprochen werden: driver_close() driver_open() driver_write() 15

16 BenöEgte FunkEonen und Strukturen II: Die Struktur file_operaqons. In dieser Struktur werden die korrespondierenden FunkQonen beschrieben, die über Systemcalls aufgerufenen werden. sta9c struct file_opera9ons fops = { };.owner = THIS_MODULE,.open = driver_open,.release= driver_close,.write = driver_write, 16

17 Beispiel Beispiel Zugriff auf GIO Bus: Wählen Sie die Beispiele unter aus um einen Treiber zu realisieren und die dazugehörige Anwendung hsps://ezs.kr.hsnr.de/embeddedbuch/download/index.html Beispiel Gerätenummern: Sehen Sie sich das Beispiel 5-5 an. hsps://ezs.kr.hsnr.de/treiberbuch/download/index.html 17