デバイスドライバの作り方の概説

1. ロボットシステム学
第13回
上田隆一

2. 本日の内容
• デバイスドライバ
– 例
• 延々と寿司のアイコンを吐き続ける「寿司デバイス」
• https://github.com/ryuichiueda/SushiDevice
• UbuntuとRaspbian OSで動作確認済み
• インストール方法、コードの中身
• udevについて
2016年1月14日 ロボットシステム学 2

3. 参考
• 米田聡, RaspberryPiで学ぶ ARMデバイスドライバープログラ
ミング, ソシム, 2014.
• J. Corbet et al., Linuxデバイスドライバ第3版, O'reilly, 2005.
• 動的メジャー番号割り当てとデバイスファイルの自動生成 |
迷える子羊の苦悩
– http://44781184.at.webry.info/201306/article_10.html
2016年1月14日 ロボットシステム学 3

4. デバイスドライバ
• 機器とユーザをつなぐもの
• カーネルの一部として動作
– 「カーネルモジュール」という、カーネルに動的に
組み込めるものとしてビルド
• インタフェースはデバイスファイル
– $ ls -l /dev/
• 「メジャー番号」「マイナー番号」を持つ
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5. 使ってみましょう
• insmod: カーネルモジュールを組み込むコマンド
• rmmod: カーネルモジュールを削除するコマンド
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$ git clone https://github.com/ryuichiueda/SushiDevice.git
$ cd SushiDevice/
$ make
$ sudo insmod sushi.ko
$ sudo chmod 666 /dev/sushi0
###使ってみる###
$ cat /dev/sushi0 | head -n 3
🍣 🍺
🍣
🍣
###削除###
$ sudo rmmod sushi

6. デバイスドライバの役割
• ユーザにハードを使わせる
– ユーザランドのプログラムでも可能だが、
いちいちroot権限で動かさないといけない
• 例: 第7回のプログラム
• デバイスファイルのパーミッションでアクセス制御
• 機械の操作をファイル入出力に置き換え
– 何度も講義で言っている「抽象化」
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7. デバイスドライバを作る際の注意点
• libcなどの普通の関数が使えない
– printfやmalloc、randあたりが全く使えない
– カーネル用のものを使う
• バグを埋め込むと最悪の場合、再起動
– カーネル空間で動くのでカーネルパニックが起こる
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8. 作り方
• デバイスの登録、読み書き、削除に
対応した処理を書く
– insmod時: module_initマクロに登録した関数が
実行されるので関数の中身を実装
– rmmod時: module_exitマクロに登録した関数が
実行されるので関数の中身を実装
– 読み書き等:
• それぞれに対応する関数を書いて
file_operationsという構造体に登録
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9. module_init
• module_initマクロ
– insmodされた時の処理を書いた関数を渡す
（メジャー番号取得とデバイスファイルを自動で行う場合の例）
– module_initに渡す関数で行うこと（コード）
• メジャー番号の取得（自動取得の場合）
• カーネルにドライバの情報の構造体をぶら下げる
• /sys/class/sushi、/dev/sushi0等インタフェースを作ってもらう
– 注意: デバイスファイルを手動で作らなければならない
デバイスドライバも存在
• 手動で作る例: $ sudo mknod /dev/sushi メジャー番号 マイナー番号
2016年1月14日 ロボットシステム学 9

10. rmmod / module_exit
• デバイスドライバをカーネルから外す
– ユーザから見ると、/sys/class/と/dev/から
– 関係するファイル、ディレクトリが消える
– module_exitマクロに処理を書いた関数を渡す
2016年1月14日 ロボットシステム学 10

11. デバイスファイルを通じた読み書き
• ユーザ空間とカーネル空間でデータを授受
– file_operations構造体の
• readがユーザから見た読み込み
– copy_to_userでユーザ空間に文字列を転送
• writeがユーザから見た書き込み
– copy_from_userでユーザ空間から文字列を受け取り
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12. copy_to_user
• static inline unsigned long __must_check
copy_to_user(void __user *to, const void *from,
unsigned long n)
– （/usr/src/<ヘッダのディレクトリ>/arch/x86/include/asm/uaccess.h）
• to: ユーザ空間のバッファのポインタ
• from: カーネル空間に自分で用意するバッファのポインタ
• n: 転送するバイト数
• 返り値: コピーできなかったバイト数
• 実際の使い方はコードで
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13. copy_from_user
• static inline unsigned long __must_check
copy_from_user(void *to, const void __user *from,
unsigned long n)
– （/usr/src/<ヘッダのディレクトリ
>/arch/x86/include/asm/uaccess.h）
– to, from, n: copy_to_userと一緒
– 返り値: コピーできなかったバイト数
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14. udev
• デバイス管理ツール
• 動的な処理
• デーモンとして動作
• udev以前
– メジャー番号等が動的に得られない
– ドライバをインストールしても
デバイスファイルができない
– ・・・
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15. udevadmによる観察
• insmod時
• rmmod時
2016年1月14日 ロボットシステム学 15

16. udevの設定
• /etc/udev/rules.d/にファイルを置く
– Ubuntu, Raspbian共に
– ファイル名は「<優先度>-<対象>.rules」
– 基本: 「==」で条件をマッチさせて「=」で設定
• 反映
– $ sudo udevadm control --reload
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$ cat /etc/udev/rules.d/89-sushi.rules
#rules for sushi
KERNEL=="sushi0",SUBSYSTEM=="sushi",ACTION=="add",MODE="0666"

17. 機器の操作
• 例
– 第7回で行ったLチカのデバイスドライバ版
• 使うもの
– request_mem_region
• /dev/memのopenの代わり
• 使いたい物理メモリ領域の予約
– ioremap_nocache
• mmapの代わり
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18. 講義でやっていないこと
• USB等
• 排他
• 一つのドライバで複数のデバイスファイル
• read, write以外の方法
• ioctl
– フォーマット等読み書きとは別の操作
• ブロックデバイス
• ・・・
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