리눅스 드라이버 실습 #1

리눅스 드라이버 실습 #1
2017/May/10
박상호

- 2 -Copyright © 2015 S-Core Co., Ltd. All rights reserved | Confidential
강의 내용
 Ubuntu 실습
Terminal
Utilities
 간단한 C 프로그램
파일 reader/writer
 커널이란?
본 3주 실습을 위한 간단한 정의
 리눅스 디바이스 드라이버
Character 디바이스 드라이버
echo 디바이스 드라이버

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Ubuntu 실습

apt
 apt: 패키지 관리 유틸리티
 root 권한 필요: sudo
 apt update: 서버 연결하여 패키지 정보 업데이트
 apt install <package-name>
 apt search <package-name>
 apt upgrade
 실습
 vim 패키지 설치

디렉토리 관리
 ls: 디렉토리 목록
 touch: 빈파일 생성
 rm: 파일/디렉토리 삭제
 mkdir: 디렉토리 생성
 rmdir: 디렉토리 삭제

man
 Manual page
유닉스 시스템(리눅스 포함)에서의 표준 가이드
man <term> or man <section> <term> (ex: man cat, man ls, man printf)
Section
1: Shell command
2. System calls
3. Library calls
4. Special files
5. File formats and conventions
6. Games
7. Miscellaneous (man(7))
8. System administration command (only for root)
9. Kernel routines [Non standard]

vi
 Text Editor
 1976년 Bill Joy가 처음 만듬

vi 모드

vi 명령
https://www.gosquared.com/blog/vi-linux-terminal-help-sheet

vi 실습
 vi로 hello.c 파일 생성
 Cheat Sheet의 명령 실습
 Cursor Navigation
 Insert Text
 Delete Text
 Searching
 Replacing
 .
 저장 & 끝내기

Hello, World!
 vi로 “Hello, World!” 프로그램 작성
 gcc로 컴파일하기
 make로 컴파일하기
$ cat Makefile
all:
cc hello.c -o hello
$ make
$ gcc hello.c
$ gcc -o hello hello.c

C 코딩 조언
 함수 spec의 정확한 이해
 man
 msdn
 정의: wikipedia.org
 특정 문제의 해결 방법: google, stackoverflow.com
 Easy come, easy go
 찾은 방법을 자신에게 체화시키길..

reader/writer
매우 간단한 파일 입출력 C 프로그램

C 코딩 조언
 Manual page
유닉스 시스템(리눅스 포함)에서의 표준 가이드
man <term> or man <section> <term> (ex: man cat, man ls, man printf)
Section
1: Shell command
2. System calls
3. Library calls
4. Special files
5. File formats and conventions
6. Games
7. Miscellaneous (man(7))
8. System administration command (only for root)
9. Kernel routines [Non standard]
 정의: wikipedia.org
 특정 문제의 해결 방법: google, stackoverflow.com
Easy come, easy go
찾은 방법을 자신에게 체화시키길..

reader
 reader.c
파일 경로를 argument로 받아
파일의 내용을 화면(standard output)에 출력

writer
 writer.c
파일 경로를 argument로 받아
키보드 입력(standard input)을 파일에 저장

Makefile & run
all:
cc reader.c -o reader
cc writer.c -o writer
$ make
$ writer /tmp/a
1234
qwer
asdf
^C
$ reader /tmp/a
1234
qwer
asdf
$
Makefile

코드 흐름
fd = open(argv[1], O_RDONLY);
…
while
ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
…
ret = write(STDOUT_FILENO, buf, ret));
…
close(fd);
reader
fd = open(argv[1], O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC);
…
while
ret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
…
ret = write(fd, buf + i, len - i));
…
close(fd);
writer
● STDIN_FILENO: standard input fd
● STDOUT_FILENO: standard output fd
● Standard input/output
○ Terminal: keyboard & display → Character device in unix system
● 파일 접근을 위한 system call
○ open, read, write, close...

커널 이란…

운영체제(Operating System)의 정의
http://en.wikipedia.org/wiki/Kernel_(operating_system)
Kernel (operating system)
The kernel is a computer program that is the core of a computer's operating system, with complete
control over everything in the system.[1] It is the first program loaded on start-up. It handles the rest of
start-up as well as input/output requests from software, translating them into data-processing instructions
for the central processing unit. It handles memory and peripherals like keyboards, monitors, printers, and
speakers.
A kernel connects the application software to the hardware of a computer.
The critical code of the kernel is usually loaded into a protected area of memory, which prevents it from
being overwritten by applications or other, more minor parts of the operating system. The kernel
performs its tasks, such as running processes and handling interrupts, in kernel space. In contrast,
everything a user does is in user space: writing text in a text editor, running programs in a GUI, etc. This
separation prevents user data and kernel data from interfering with each other and causing instability
and slowness.[1]
The kernel's interface is a low-level abstraction layer. When a process makes requests of the kernel, it is
called a system call. Kernel designs differ in how they manage these system calls and resources.
A monolithic kernel runs all the operating system instructions in the same address space, for speed.
A microkernel runs most processes in user space,[2] for modularity.[3]

파일 접근
 C:Program FilesInternet Exploreriexplorer.exe 실행하기

커널이 도와주는 부분은?
 커널이 관리하는 것...
드라이브
디렉토리
파일
C:, D:. 드라이브가 어떤 디스크의 파티션에 있는지
디렉토리 이름과 디렉토리의 내용이 디스크의 어디에 있는지
파일의 내용이 어디에 있는지

파일 접근 (커널이 없다면-1)
 디스크1의 두번째 파티션을 찾아감

파일 접근 (커널이 없다면-2)
 2. C: 에 있는 “Program Files” 디렉토리를 검색
 3. C:Program Files 에 있는 “Internet Explorer”를 검색
 4. C:Program FilesInternet Explorer 에 있는 “iexplorer.exe” 파일을 검색하고 실행

파일 접근 (커널이 해주는 건?)
 디렉토리 관리: 디렉토리내 파일 정보를 디스크에 저장
이름, 유형(파일, 디렉토리, 기타)
파일 삭제, 이름 변경
 파일 관리: 파일 정보를 디스크에 저장
이름, 유형, 크기
파일 삭제, 크기 변경
 커널이 해주는 건?
자원(디스크)의 효율적이고 간편한 API 제공
System call: system API by kernel

파일 접근
마우스 클릭, 키보드 입력
API, System-Call (2)
SCSI commandsData
Data, Action
View, Action
System-Call (2)
● 경로(path)를 통한 human-
readable한 접근 지원
● 크기/개수를 신경쓰지 않아도 되
도록 지원
● 하드디스크, CD, USB stick에
관계없이 동일한 system-call로
접근 가능

파일 접근
마우스 클릭, 키보드 입력
API, System-Call (2)
PCI/PCIe/USB commandsData
Data, Action
View, Action
System-Call (2)
● Socket system-call을 통한 쉬운
TCP/IP 통신 지원
● WiFi, Ethernet에 관계없이 동
일한 system-call을 통해 접근
가능

Kernel의 역할
● 자원(Resource) 관리
○ 자원: CPU, Memory, Storage, Network, Graphic Card, etc
■ S/W 자원도 포함됨: 응용 프로그램 ID, TCP 포트 등
○ 자원들을 여러 응용 프로그램이 공유할 수 있도록 제공
■ 배분 정책
● 공정성: Fairness
● 시급성: Time critical
○ 보안
■ 다른 프로그램의 정보가 공유되지 않도록 보호 (hack,
virus)
● Abstracted API 제공
○ H/W 특성에 관계없는 일관된 API(System-call)을 응용 프로
그램에 제공

현존하는 Kernel들

리눅스
 1991년 리누스 토발즈에 의해 개발 시작된 UNIX 계열 커널
 가장 성공적인 open source project 중 하나
 리눅스 커널 기반의 운영체제
RedHat, OpenSUSE, Debian, Ubuntu
Android
Tizen
 http://www.kernel.org
 License: GPLv2

Kernel Module Driver

우분투에서 커널 버전 확인하기

커널 빌드
 절차
http://www.kernel.org에서 소스 다운로드
make menuconfig
Kernel configuration
Kernel의 각 특성을 잘 알고 있어야 설정 가능
make
3시간 소요 (in my VirtualBox)

커널 모듈

드라이버 관리
$ insmod echo.ko
$ rmmod echo
$ lsmod
$ cat /proc/modules
…
while
ret = read(fd,
buf, sizeof(buf));
…
ret =
write(STDOUT_FILENO
, buf, ret));
…
close(fd);
드라이버 장착
드라이버 제거
드라이버 검색
$ dmesg Kernel 로그

모듈 코딩
Makefile
# Prerequisite
$ uname -r
3.13.0-generic
$ sudo apt-get install kernel-headers-3.13.0-generic
$ ls -l /lib/modules/3.13.0-generic/build

모듈 코딩
echo.c
모듈을 위한 최소한의 세트
● MODULE_LICENSE
● init_module
○ 모듈초기화시(insmod) 호출
● cleanup_module
○ 모듈삭제시(rmmod) 호출
디버그를 위한 printk
● 커널용 printf
● 앞에 LOG LEVEL이 붙음

Echo Driver

장치 유형
 전통적 디바이스 유형
Block: 디스크
특정 offset의 데이터를 접근할 수 있음
Character: 시리얼 포트, 터미널
특정 offset의 개념이 없음
 UNIX는 디바이스 장치를 특수 유형의 파일로 관리
/dev/sda
/dev/console
Network 디바이스는 예외: 이단아
$ ls -l /dev

디바이스 드라이버
 디바이스 드라이버
디바이스를 이용하기 위한 커널 S/W 모듈
 UNIX에서 장치는 파일(/dev/XXX)
장치를 이용하기 위해서는 드라이버가 필요
장치와 드라이버를 어떻게 연결할까?
장치별로 Major/Minor 번호 부여
Major 번호를 담당하는 드라이버 연결

Echo 드라이버
 Echo
 Echo 드라이버
장치에 WRITE한 것을 READ할 수 있도록 하는 드라이버
Character device

드라이버 코딩 (1)

__open(inode, file)
● inode: 특정 노드(파일)을 가
리키는 structure
● file: inode를 open한 뒤, 사용
할 structure (flag, offset 저장
)
○ fd는 *file array의index
__read(file, buf, len, off)
● file: fd에 해당하는 file
structure
● buf: user argument
● len: user argument
● off: offset in the file

__write(file, buf, len, off)
● file: fd에 해당하는 file
structure
● buf: user argument
● len: user argument
● off: offset in the file
__release_(inode, file)
● close(fd)시 불릴 수 있는 함
수

$ make
$ sudo insmod echo.ko
$ dmesg
$ ls -al /dev/echo
$ sudo mknod /dev/echo c 250 0
$ ls -al /dev/echo
$ sudo ./writer /dev/echo
1234
^C
$ sudo ./reader /dev/echo
1234
$

프로그램 실행 Flow
reader/writer
VFS(Virtual File Switch): 디바이스 드라이버, 파일 시스템의 file_operations 호출
echo driver
open(“/dev/echo”, O_RDONLY)
__open(inode, file)
read(fd, buf, sizeof(buf))
__read(file, buf, len, off)
close(fd)
__release_(inode, file)
User
Kernel

Exercise #1
 Add log in read/write
Print file, function name and line number
String: __FILE__
String: __func__
Integer: __LINE__

Exercise #2
 Add delay in open/read/write/release
#include <linux/delay.h>
…
msleep(1000); /* wait for 1000 msecs */
…
$ sudo ./writer /dev/echo
1234
^C
$ sudo ./reader /dev/echo
1234
$

금일 정리
 커널: 자원 관리, H/W Abstraction 제공
 Simple C 프로그램
 장치 드라이버: Block/Character
 Simple character driver
open/read/write/release

숙제
 금일 coding한 드라이버로 커널을 죽게 만들기
$ sudo insmod echo.ko
$ sudo mknod /dev/echo c 250 0
$ ????
제출
pasang0000@gmail.com (due: next lecture)

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