Controladores de Dispositivos em

Linux

Edgar Szilagyi

edgar@cecm.usp.br

IME-USP

Sumário Módulos em Linux Escrevendo um controlador de dispositivo

tipo caractere Dispositivos de bloco e rede Arquitetura do hardware

Interrupções Portas de E/S DMA (Direct Memory Access) Barramentos ISA e PCI

Arquitetura do Linux

Módulos no Linux O Linux é um S.O. modular

Por exemplo, o suporte a determinado sistema de arquivos ou a certo dispositivo de hardware é fornecido através de módulos independentes

Em geral, tais módulos podem ser implantados dinamicamente, isto é, com o S.O. rodando, sem a necessidade de reinicialização

Escrevendo um módulo simples

#define MODULE

#include <linux/module.h>

int init_module(void) {

printk("<1>Hello, world!\n"); return 0; }

void cleanup_module(void) {

printk("<1>Goodbye cruel world!\n"); }

Por que printk e não printf ? Os módulos, quando implantados, tornam-

se parte do núcleo do S.O. Não é possível utilizar nenhuma biblioteca printk é implementada pelo S.O. Assemelha-se

à printf, mas não oferece suporte a números de ponto flutuante.

Os indicadores <n> fornecem a prioridade da mensagem. Quanto menor o número, maior é a prioridade Não funciona em consoles gráficos!

Módulos x Programas Os módulos rodam no espaço de

endereçamento do núcleo do S.O. em modo supervisor. Isso exige alguns cuidados expeciais: Concorrência Segurança Controle de versão Tratamento de erros, alocação e desalocação

de recursos judiciosa O cuidado com ponteiros perdidos deve ser

redobrado. Pode-se travar completamente o sistema!

Compilando, implantando e removendo o módulo

root# gcc -c -O2 hello.croot# insmod ./hello.oHello, world!root# rmmod helloGoodbye cruel world!root#

Diretiva de otimização Necessária algumas vezes, e não é

recomendado usar um valor maior Implantação e remoção dinâmicas

Pode-se testar várias vezes o módulo sem a necessidade de reinicialização

A tabela de símbolos do Linux O comando ksyms lista essa tabela. É uma

associação de símbolos com endereços de memória.

insmod funciona como o programa de ligação de um compilador convencional. Permite que uma parte acesse funções ou

variáveis declarados na outra parte. Use static para os símbolos que não devem

ser exportados. É permitido que um módulo acesse os

símbolos exportados por outro módulo.

O papel dos controladores de dispositivos

Fornecer uma camada de abstração do dispositivo

Prover um mecanismo de acesso

A política de acesso deve ser deixada sob responsabilidade do S.O.

Tipos de dispositivos

Caractere Lembra uma cadeia de caractere

Bloco Basicamente são os dispositivos de armazenamento

de massa (discos)

Rede São aqueles que trocam dados com outras máquinas

Dispositivos de caractere É o tipo de dispositivo mais simples que

existe. Está associado aqueles que oferecem uma cadeia de entrada ou saída de dados.

Implementam as operações de abertura, fechamento, leitura e escrita. Em alguns casos, também implementam outras funções, como a indexação (seek).

Assim como vários outros dispositivos em Linux, são acessíveis através de uma entrada no sistema de arquivos /dev.

Números Maior e Menor Os arquivos especiais em /dev estão

associados a dois números que aparecem na listagem com ls -l

O número maior, isto é, o que aparece em primeiro, identifica qual módulo está associado a esse arquivo

O número menor é passado como parâmetro diretamente para o módulo. É útil quando temos diversos dispositivos sendo controlados pelo mesmo módulo.

Criando um arquivo especial

Utiliza-se a opção c, seguida dos números maior e menor.

Os ajustes de permissão de acesso são feitos em seguida.

root# mknod /dev/teste c <N.Maior> <N.Menor> root# chmode 644 /dev/teste

Um módulo mais sofisticado

Na inicialização do módulo, registra-se o mesmo como um driver de caractere, informando o número maior, um nome e uma estrutura file_operations. insmod registrará o módulo de acordo com

esse número maior o nome é o mesmo que aparece em

/proc/devices

int register_chrdev(unsigned int major, const

char *name, struct file_operations *fops);

A estrutura file_operations As operações realizadas no arquivo

especial criado em /dev são encaminhadas pelo S.O. para o módulo correspondente. A estrutura file_operations é um “vetor”

contendo referências para as funções de operações de arquivos implementadas pelo módulo e que se tornaram acessíveis pelo S.O.

O número menor torna-se disponível para que o módulo possa interagir com o dispositivo correto.

Resumindo: Um módulo possui um número maior Um arquivo especial possui um número maior insmod associa ao arquivo especial o módulo

correspondente. Fornece ao S.O. as ref. para as funções que implementam as operações de arquivo como abrir, fechar, ler ou escrever.

Ao acessar o arquivo especial, o S.O. chama a função correspondente à operação, fornecendo entre outros argumentos, o número menor.

Dispositivos de bloco Basicamente são os dispositivos de

armazenamento de massa, (discos) São bem mais complicados que os

dispositivos de caractere. O número maior é distindo dos dispositivos

de caractere Pode coexistir um dispositivo de caractere e

outro de bloco no mesmo número maior.

Registrando o dispositivo de bloco

#include <linux/fs.h>

int register_blkdev(unsigned int major, const char *name, struct block_device_operations *bdops);

int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name);

Principal diferença: block_device_operations x file_operations

A estrutura block_device_operations

A função responsável pela escrita e leitura no dispositivo não permanece nessa estrutura por questões de eficiência.

Essa função porém é muito importante. É requisitada pelo S.O. somente quando as informações devem ser transferidas do ou para o disco.

Existem funções especiais correspondentes à montagem e desmontagem do dispositivo

Dispositivos de rede Não possuem uma entrada em /dev. São

melhor representados como um canal de comunicação.

A maior diferença: Os dispositivos de bloco respondem à requisições provenientes apenas do S.O. local, enquanto que os dispositivos de rede respondem às requisições que chegam pelo canal de comunicação. O dispositivo passa a ser um elemento ativo.

Dispositivos de rede Possuem funções relacionadas à tarefas

administrativas como configuração de parâmetros de comunicação e endereço.

O driver é responsável pela “camada física” de transmissão e não pelo protocolo. Sua interação com o S.O. ocorre em nível de pacotes completos.

Isso permite a independência entre os protocolos de hardware como Ethernet e token ring e protocolos de comunicação como IP ou IPX.

Controle do tempo O Linux possui um relógio interno de 100Hz

jiffies, declarado em <linux/sched.h> Para uma precisão maior

do_gettimeofday() em <linux/time.h> Em <asm/msr.h> (machine-specific registers)

existem contadores com resolução próxima ao clock do sistema.

Em <linux/delay.h> existem 2 funções busy-waiting para temporizações da ordem de microsegundos e milisegundos.

Arquitetura de hardware CPU Memória Portas de E/S Interrupções DMA - Direct Memory Access

Barramento ISA Barramento PCI

Controle de interrupções As interrupções são necessárias quando

algum dispositivo precisa solicitar a atenção do S.O.

O registro e liberação da interrupção é feito por duas funções request_irq free_irq

Registro e liberação do tratador de interrupções

<linux/sched.h>

int request_irq(unsigned int irq

void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *)

unsigned long flags,

const char *dev_name,

void *dev_id);

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

Tratadores de interrupções Devido ao número limitado de interrupções

do sistema, é aconselhável registrar um tratador de interrupções na operação de abertura do arquivo, ao invés de fazê-lo na instalação do módulo.

Devem ser rápidos e não podem entrar na fila de espera para execução, podendo causar impasses.

Compartilhamento de interrupções. A cada interrupção gerada, o S.O. invoca cada

um dos tratadores individualmente.

Reservando portas de E/S

#include <linux/ioport.h>

int check_region(unsigned long start, unsigned long len);

struct resource *request_region( unsigned long start, unsigned long len, char *name);

void release_region(unsigned long start, unsigned long len);

Acessando as portas de E/S

#include <asm/io.h>)

#Entrada/Saída de 8 bitsunsigned inb(unsigned port); void outb(unsigned char byte, unsigned port);

#Entrada/Saída de 16 bitsunsigned inw(unsigned port); void outw(unsigned short word, unsigned port);

#Entrada/Saída de 32 bitsunsigned inl(unsigned port); void outl(unsigned longword, unsigned port);

Alguns cuidados com E/S Operações de E/S são muito mais lentas que

a velocidade dos processadores atuais. Se operações sucessivas acontecerem, corre-se

o risco de se perder dados. Existem funções que evitam o problema. São

elas: inb_p, outb_p, inw_p, etc. A escrita de dados em arquivos é controlada

pelo S.O. Para garantir que o dado foi enviado ao

hardware, use a função fflush().

Memória do dispositivo: mmap Operação que mapeia uma região de

memória virtual no espaço do usuário para um dispositivo físico. Muito comum em interfaces gráficas

cat /proc/731/maps

08048000-08327000 r-xp 00000000 08:01 55505 /usr/X11R6/bin/XF86_SVGA

08327000-08369000 rw-p 002de000 08:01 55505 /usr/X11R6/bin/XF86_SVGA

40015000-40019000 rw-s fe2fc000 08:01 10778 /dev/mem

40131000-40141000 rw-s 000a0000 08:01 10778 /dev/mem

40141000-40941000 rw-s f4000000 08:01 10778 /dev/mem

DMA - Direct Memory Access

Maneira eficiente de transferir dados para ou da memória RAM

O buffer de transferência deve ser alocado com cuidado, pois a região de memória será acessada pelo dispositivo. Em dispositivos ISA o problema é ainda maior. Em PCI, existe uma interface melhor, conhecida

como Bus Mastering Deve-se tomar o cuidado de mapear os

endereços virtuais para físicos.

O barramento ISA

Obsoleto, mas ainda existem muitos dispositivos nesse padrão.

Portas de E/S limitadas a 1024 endereços Não permite endereçamento geográfico Memória de E/S limitada entre 640Kb e 1Mb,

e entre 15Mb e 16Mb Necessita de configuração manual

Tecnologia Plug and Play minimiza esse problema

O barramento PCI Independente de plataforma Muito mais rápido que o ISA Possui endereçamento geográfico

Permite que os recursos, isto é, mapeamentos de memórias e linhas de interrupção sejam configurados na inicialização do sistema de forma automática.

A interface do Linux para dispositivos PCI facilita bastante o desenvolvimento de drivers para esses dispositivos.

Para saber mais

Rubini, A. & Corbet, J.; Linux Device Drivers, 2nd Edition, 2001 O´Reilly Livro disponível em formato eletrônico em

www.xml.com/ldd/chapter/book/

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