L. Linux-Treiber. L.1.2 System Architektur

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1 L. Linux-Treiber L.1.1 Literatur: Maurer W.: Professional Linux Kernel Architecture; John Wiley 2008 Kroah-Hartman G., Oram A.(Ed.): Linux Kernel in a Nutshell: Linux 2.6; O'Reilly 2007 Rubini A., Corbet J., Kroah-Hartman G.: Linux Device Drivers; O'Reilly Media 2005 L.1.2 System Architektur Open Source Unix Betriebssystem begonnen durch Linus Torvald. Prozesse und präemptives Multitasking. Light-Weight Threads (durch zusätzliche Bibliothek). Shared Libraries als Gegenstück zu den Windows DLLs. Monolithischer Kern mit Modulkonzept (auch dynamisch ladbar). Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 1

2 L.1.3 Kern- Architektur: System-Call über Software Interrupt 0x80. Kern läuft im Ring-0 und Anwendungen im Ring-3 (intel-x86). Gesamter Adressraum adressierbar: Kern (0 1GB), User (1-4GB). Anwendungen System Libraries (libc) System Call Interface Modules I/O Related File Systems Networking Device Drivers Process Related Scheduler Memory Management IPC Architecture-Dependent Code Hardware Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 2

3 L.2. Einbindung eines Treibers L.2.1 Statische Treiber Statisch mit dem Linux-Kern linken: Automatischer Symbol-Export (mydrvr_xvar), mydvr_init-routine wird beim System-Start gerufen, Treiber registriert sich selber beim Kern: int register_chrdev( unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops); Kernel #4 Registrierung beim Kern: do_basic_setup( ) register_chrdev( )... Dateioperationen im fops-vektor name nur für Konsolmeldungen, Treiber meldet sich mit einer Major-Nummer an. init do_basic_setup Device_setup tty_io fops tty_init register_chrdev ( 4, &myfops) Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 3

4 L.2.2 Dynamisch ladbare Treiber in Modulen Superuser-Rechte notwendig für insmod & rmmod. Treibermodule dynamisch nachladen: insmod /bt878/bin/frmgrbbr.o insmod erlaubt zur Laufzeit Module zu laden, init_module Routine wird aufgerufen, Modul registriert sich beim Kern. Modul entladen mit dem Befehl: rmmod... frmgrbbr cleanup_module Routine wird aufgerufen, Cleanup-Routine entfernt die Registrierung, Symboltabelle wird automatisch aufgeräumt. Symboltabelle im Kern (siehe auch /proc/ksyms): Grundlage für dynamisches Linken von Modulen, Enthält vorerst alle exportierten Symbole, static Namen jedoch nicht exportiert, Problem: Namenskollisionen, Teile der eigenen SymbTab explizite Registrieren mit register_symbtab( &ch_few ) Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 4

5 Optionale Versionskontrolle: Kompatibilität durch Prüfen von Schnittstellen (Funktionen & Datentypen). Kern muss zunächst mit Versionsinformation übersetzt werden. Jeder exportierte Namen wird durch eine 32-Bit CRC erweitert. Beispiel: printk_r11ad48ba (11ad48ba ist CRC berechnet aus von printk genutzter Schnittstelle). Module müssen mit Schalter MODVERSIONS übersetzt werden! genksyms zum Export von Symbolen aus Modulen mit CRC. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 5

6 L.3. Gerätedateien Gerätedateien im Verzeichnis /dev. z.b. /dev/hda1 für die IDE-Festplatte 1. Erscheinen als Datei für die User-Prozesse: Mit eigenem inode, Hier im Verzeichnis /dev/, Ohne Daten-Extent auf Platte, Im inode als Gerät vermerkt. Öffnen von Gerätedateien bzw. Treibern: int open(const char *pfadname, int opnflag, int mode) Als System Call aus dem User Kontext, Liefert Filedeskriptor oder Errorcode ( Err < 0 ), Filedeskriptor ist Index in inode-tabelle des Prozesses. Sowohl für echte Datei als auch für Gerät. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 6

7 Entsprechende Funktion im Treiber int open(struct inode *i, struct file *fp) inode: Major, Minor Nummer und Gerätetyp. fp: File-Pointer. Einrichten von Gerätedateien: mknod /dev/tty c 4 64 Name tty im Verz. /dev/, c : ist ein Character-Device, Neuer inode im Dateisystem, inode mit Feld vom Typ kdev_t = (4,64), Treibernummer 4 (Major Number). Gerätenummer 64 (Minor Number). Verbesserung durch devfs (ab Version ): Gerätedateien werden dynamisch erzeugt und entfernt. Gerätetreiber definiert Namen selbst. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 7

8 L.4. Datenstrukturen des Dateisystems FileDeskriptor/Handle als Integerzahl: Index in die Dateitabelle eines Prozesses, Standardinput, -output, -error (0,1,2). F _ D e s k r U s e r P r o z e s s f i l e s Die Einträge in der Dateitabelle beziehen sich auf einen inode. i N o d e s inode: nimmt Bezug auf Treiber oder Diskfile, bestimmte Inodes nur im Hauptspeicher, Caching von Inodes im Hauptspeicher, persistente Inodes auf Festplatte. K e r n e l B l o c k - C a c h e B l o c k t r e i b e r T r e i b e r T r e i b e r T r e i b e r [ i ] Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 8

9 Virtual File System Koexistenz mehrerer Dateisysteme: Reale Dateisysteme (... HPFS, Minix), /proc/ -Dateisystem, Gerätetreiber: V i r t u e l l e s D a t e i s y s t e m E x t 2 F A T x F S / p r o c / B l o c k - C a c h e G e r ä t e t r e i b e r Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 9

10 Subsystem der /proc/-dateien Vorgespiegelte Dateien ohne persistente Speicherung. Informationen über Maschine, OS & Netz. /proc/ Pseudoverzeichnis: pci: gefundene PCI Devices stat: allgemeine Linux-Kern Statistik cpuinfo: inklusive CPU Designfehler devices: Character und Block Devices meminfo: Hauptspeicher, Cache, Swapspace... modules: geladene Module und Treiber /proc/sys/ Pseudoverzeichnis: fs/: Infos zu den Dateisystemen net/: Infos zu Netzwerksubsystemen vm/: Parameter der Speicherverwaltung kernel/: Infos zum Kern und zu Internetnamen /self/ Pseudoverzeichnis liefert Information über aktuelle Prozesse. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 10

11 L.5. Major & Minor Nummern inode enthält eine 32-Bit Zahl (früher nur 16-Bit): Major Number: obere 8-Bit bezeichen den Treiber, Minor Number: untere 8-Bit bezeichnen Device: Ein Treiber kontrolliert evtl. mehrere Devices: mehrere Partitionen auf einer Festplatte, mehrere tty-leitungen. Dynamische Zuordnung von Major- & Minor-Nr., falls Registrierung mit major=0. Major Number Treiber Treiber Treiber Minor Number Device Device Device Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 11

12 L.6. Operationen für Character-Devices Vektor für mögl. Operationen eines Character-Devices: Als Funktionsvariablen, NULL, falls nicht unterstützt, Evtl. Defaultimplementierungen: struct file_operations { loff_t ( *llseek) ( ), ssize_t ( *read) ( ), ssize_t ( *write) ( ), int ( *readdir) ( ), unsigned int ( *poll) ( ), int ( *ioctl) ( ), int ( *mmap) ( ), int ( *open) (struct inode*, struct file * ), int ( *flush) ( ), int ( *release) ( ), int ( *fsync) ( ), int ( *fasync) ( ), int ( *check_media_change) ( ), int ( *revalidate) ( ), int ( *lock) ( ), }; Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 12

13 Beispiel: Registrierung der File-Operationen #define KERNEL /* kernel code */ #define MODULE /* module */ int my_major=0; read_write_t my_read (struct inode *inode, struct file *filp, char *buf, count_t count) { } read_write_t my_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, count_t count) { } struct file_operations my_fops = { NULL, /* lseek */ my_read, my_write, }; /* nothing more, fill with NULLs */ int init_module() { my_major = register_chrdev(my_major, "mydriver", &my_fops); return 0; } void cleanup_module() { unregister_chrdev(my_major, "mydriver"); } Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 13

14 L.7. Nebenläufigkeit Jeder User-Prozess kann über INT 0x80 einen Systemaufruf absetzen und darauf warten. P r e e m p t i o n U s e r P r o z e s s e K o r o u t i n e n K e r n e l S p a c e Eigener Adressraum pro User-Prozess. Preemption im User Space: Prozess wird in beliebigem Zeitpunkt suspendiert, Koroutinen im Kernel Space: Nur unterbrochen durch einen Hardware-Interrupt, Sonst allenfalls explizite Prozessumschaltung. User- und Kernel-Threads durch zusätzliche Bibliothek. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 14

15 Warteschlangen im Kernel: tq_scheduler: Tasks in dieser Queue immer ausgeführt, wenn der Scheduler aktiv wird. Laufen in der Umgebung des User-Prozesses, der schlafen gelegt wird. tq_timer: initiiert durch Timer (alle 10 ms), läuft im Interrupt. tq_immediate: Ausführung bei Rückkehr von Systemaufruf. Oder wenn der Scheduler aktiv wird. Tasks laufen als Bottom-Half. tq_disk: virtueller Speicher & Disk-Puffer Cache. Reserviert für internen Gebrauch. NB: zusätzlich können eigene Queues implementiert werden. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 15

16 L.8. Ein-/Ausgabe Verarbeitung L.8.1 Interrupt-Routinen Treiber installiert seinen Interrupt: int request_irq ( unsigned int irq, void ( *handler ) ( int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs), unsigned long flags, const char * device, /* name für console */ void *dev_id ); /* optional */ Kernel prüft ob der IRQ verfügbar ist (result<0?) handler als Interrupt Service Routine (ISR): Evtl. ein Handler für mehr als eine IRQ Leitung, Prozedurvariable mit Signatur, Alter Registerkontext. Flags: SA_SHIRQ bedeutet shared Interrupt., SA_INTERRUPT bedeutet fast handler. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 16

17 Shared Interrupts (SA_SHIRQ): Üblich am PCI-Bus, möglich am ISA-Bus, Interessenten für einen Interrupt werden verkettet, Kern ruft nacheinander alle Routinen zu einem Interrupt. dev_id optionaler Kontext für den Treiber. Beispiel: interrupt-basiertes Lesen struct wait_queue *my_queue; /* eigene Queue */ read_write_t my_read (struct inode *inode, struct file *filp, char *buf, count_t count) { if (nodataavail==true) { /* no data available? */ interruptible_sleep_on(&my_queue); /* we must sleep and wait */ } return count; /* number of read bytes */ } void myisr (int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { printk("my_driver: ISR running\n");. wake_up_interruptible(&my_queue); /* is there a pending read? */ } Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 17

18 U s e r p r o c e s s K e r n e l i n t e r r u p t i b l e _ s l e e p _ o n ( ) T r e i b e r I S R D e v i c e I R Q w a k e _ u p _ i n t e r r u p t i b l e ( ) Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 18

19 L.8.2 Bottom-Half Routinen Ziel: ISR möglichst kurz Lösung: Aufräumarbeiten außerhalb der ISR. Bottom-Half Routinen können unterbrochen werden und verbessern so die Anwortzeiten auf IRQs. Beim Verlassen eines System Calls werden maximal 32 Bottom-Half Routinen gerufen: r e t u r n _ f r o m _ s y s c a l l # 3 1 B o t t o m - H a l f s i n T r e i b e r n Kernelunterstützung für Bottom-Halfs: Registrierung: Deregistrierung: Aktivierung: init_bh(int Nr, void (*bh_routine)(void)); remove_bh(int Nr); mark_bh(int Nr); In neueren Linux Systemen Tasklets anstelle von Bottom-Halfs. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 19

20 Beispiel: Bottom-Half struct tq_struct mybottomh_task; /* my bottom half task queue */ struct wait_queue *my_queue; /* waiting queue for pending readers */ void init() { mybottomh_task.routine = my_bottom_half; mybottomh_task.data = NULL; /* unused */ } void my_bottomh_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { queue_task_irq_off(&mybottomh_task, &tq_immediate); /* queue our bottom half */ mark_bh(immediate_bh); /* activate the queue element */ } void my_bottom_half(void *unused) { wake_up_interruptible(&my_queue); /* wake up a pending reader */ } Tasklets bevorzugt, ab Linux 2.3.x: void my_do_tasklet (unsigned long); DECLARE_TASKLET (my_tasklet, my_do_tasklet, 0); void my_bottomh_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { tasklet_schedule(&my_tasklet); } Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 20

21 L.8.3 Pufferzugriff Problem: Treiber darf nicht auf virtuellen User-Mode Speicher zugreifen: getrennte Prozeßadreßräume u.u. ist während der Abarbeitung des I/Os ein anderer Prozeß aktiv! Standardmässig geschieht gepufferte E/A: Treiber kopiert Daten explizit um. copy_from_user (unsigned long to, unsigned long from, unsigned long len); copy_to_user (unsigned long to, unsigned long from, unsigned long len); Memory-Mapping als Alternative: Treiber implementiert mmap. Vermeidet teueres Umkopieren. Puffer eines Treibers oder Speicher eines Gerätes in User-Adreßraum einblenden. Gut für Zugriff auf Grafikspeicher (z.b. für X-Server), aber weniger geeignet für eine serielle Schnittstelle. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 21

22 L.9. Konfigurierung eines Treibers L.9.1 Hardware-Erkennung Bestimmung von E/A-Ports, IRQ und DMA: Automatisch im Treiber ( do_it_yourself ), Im Bootparameter für statisch gebundene Treiber, durch Programmzeilenparameter: insmod mydrvr c io_addr=0x400,0x408 irq=11 E/A-Adressen erkennen ( probing ): Verfügbarkeit prüfen mit check_region( port, len ), Konfigurationsraum lesen für PCI-Geräte, Erkennung von ISA-Devices ist heikel, Auf ISA-Ports vorerst nur Lesen, Geräteisolierung mit Plug&Play. Erkennung zum Initialisierungszeitpunkt. Ressourcenallozierung so spät wie möglich (request_region...). Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 22

23 Eigenen Interrupt erkennen: Freischalten aller nicht allozierten Interrupts. Interrupt vom eigenen Gerät auslösen. Aufsammeln des Interrupts. freeirqs = probe_irq_on(); outb( mydevicecntrl, intonmask...); /* enable interrupts */ outb( mydevicedata, somebyte ); /* force interrupt */ udelay( 1000); /* wait for device */ outb( mydevicecntrl, intoffmask ); /* disable interrupts */ myirq = probe_irq_off( freeirqs ); /* get my interrupt */ Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 23

24 L.9.2 Allozierung der Ressourcen Möglichst erst beim Öffnen des Treibers: mydrvr_open( inode, file) /* device open */ E/A-Ports reservieren (kein result): request_region( startaddr, len, Drvr77 ) Interrupt reservieren: success = request_irq ( Irq, Hdlr, Flags, ) DMA-Kanäle reservieren: success = request_dma( mychannel, Drvr77 ) Deinstallieren: release_region( ); free_irq( ); free_dma( ).. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 24

25 L.10. Block-Devices L.10.1 Registrierung und Operationen Registrierung: register_blkdev(major, name, fops) Operationen für Block Devices: struct file_operations my_fops = { NULL, /* lseek: default */ block_read, /* gegeben */ block_write, /* gegeben */ NULL, }; NULL, my_ioctl, NULL, my_open, my_release, block_fsync, /* Device Puffer leeren */ NULL, my_check_media_change, /* media change? */ my_revalidate /* disk change detected */ /* mehrere vordef. Ctrl.-Codes, z.b. HDIO_GETGEO, */ Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 25

26 Programme schreiben und lesen in aus den vom Kern verwalteten Pufferbereichen: Block Cache, Directory Cache, inode Cache. Der Kern bietet eine Schnittstelle zum Transport von Blöcken an: block_read / block_write / block_fsync open / release, ioctl, check_change, revalidate. Die Synchronisierung zwischen Festplatte und Caches wird aus Effizienzgründen verzögert. Block-Devices können gemountet werden (z.b. mount /dev/hdb1 /win/c). Anforderungen vom Kern an den Treiber geschehen nicht über den File- Operations Vektor, sondern in einer blk_dev_struct: struct blk_dev_struct { void (*request_fn)(void); /* Request Funktion des Treibers */ struct request current_request ; /* aktueller Request, vorne in der Liste */ } Request-Function ist im Blocktreiber & interpretiert aktuellen Request. Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 26

27 L.10.2 Block-Device Datenstrukturen Array von Block Device Struktur mit zusätzl. Device Parameter Arrays für Block-, Sektorgröße,... Bei der Initialisierung wird u.a. die Request-Funktion eingetragen: blk_dev_struct[major].request_fn = my_request; Verkettete Requests: Kern reorganisiert evtl. Reihenfolge. Pro E/A-Operation ein Request. Enthält Cmd-Feld und Adressen zum lesen oder schreiben. b l k _ d e v _ s t r u c t [ m a j o r m i n o r D e v i c e p a r a m e t e r Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 27 m y _ r e q u e s t r e q u e s t s s

28 Gerüst einer Request-Funktion: void my_request(void) { while (1) /* process all requests in queue */ { INIT_REQUEST; /* macro checks for requests, returns if none */ switch(current->cmd) /* CURRENT macro to access current req. */ { case WRITE: memcpy(ptr, CURRENT->buffer, size); break; } end_request(1); /* complete block request (status=success) */ } } Technische Informatik 2, Wintersemester 2008/09, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess L - 28