デバイスドライバ、割り込み

					2010年02月16日
情報科学類 オペレーティングシステム II

                                       筑波大学 システム情報工学研究科 
                                       コンピュータサイエンス専攻, 電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■今日の大事な話

file_operations 構造体
copy_from_user()とcopy_to_user()
割り込みコントローラ(ハードウェア)

■デバイス・ドライバ

デバイス・ドライバとは、オペレーティング・システム・カーネル内で動作するモジュールで、ディスクやキーボード等のデバイス（周辺装置）を管理し、入出力を制御する。

オペレーティング・システム・カーネルは、直接ハードウェアを操作するのではなく、デバイス・ドライバを通じて間接的に操作する。
デバイス・ドライバの外部仕様は、オペレーティング・システムごとに決めてある。その仕様に従ったデバイス・ドライバが用意されていれば、そのハードウェアが利用可能になる。
デバイス・ドライバは、ハードウェアを提供する会社がハードウェアとともに提供することが一般的。
デバイス・ドライバの実体は、数個のインタフェースが決められた関数の並び。

◆Unix系OSのデバイス・ドライバの種類

ブロック型。その名の通り、ブロック単位で入出力を行う。ハードディスク、SSD等、ファイル・システムを作るためのもの。
文字(character)型。今となっては、「文字」にはそれほどの意味はない。文字(バイト単位)で入出力できるものもあるが、そうではないものもある。
ネットワーク・インタフェース・カード用。
グラフィックス・カード用。
タイマ用。

◆メジャー番号とマイナー番号

ブロック型と文字型のデバイス・ドライバは、メジャー番号とマイナー番号の 2つの番号で区別される。利用者プログラムからそれらをアクセスする時には、 /dev 以下のファイルをアクセスする。

% df / 
Filesystem           1K-blocks      Used Available Use% Mounted on
/dev/cciss/c0d0p2     30470176   6222136  22675280  22% /
% ls -l /dev/cciss/c0d0p2 
brw-r----- 1 root disk 104, 2 Jan  8 21:25 /dev/cciss/c0d0p2
% ls -l /dev/random  
crw-rw-rw- 1 root root 1, 8 Jan  8 21:24 /dev/random
%

ls -l で見ると、ブロック型は、b、文字型は、c で始まる。メジャー番号は、デバイスの種類、マイナー番号は、同じ種類で、細かい違い（上の例では、パーティション）等を意味する。

メジャー番号は、静的に決めうちにすることもあるが、 alloc_chrdev_region() を呼び、動的に割り当てられることもできる。使われているメジャー番号は、/proc/devices に現れる。

% cat /proc/devices 
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
...
253 hpilo
254 pcmcia

Block devices:
  1 ramdisk
  8 sd
  9 md
 65 sd
...
104 cciss0
...
253 device-mapper
254 mdp
%

/dev/ の下にあるブロック型と文字型のファイルは、mknod コマンド (make node) で作ることができる。

% mknod b /dev/ファイル名 メジャー番号 マイナー番号 
% mknod c /dev/ファイル名 メジャー番号 マイナー番号

文字型デバイスの登録

まず、struct file_operations 構造体とその内部の関数群を定義する。その構造体を、struct cdev に設定する。最後に、struct cdev を、cdev_add() で登録する。

struct file_operations my_fops = { .... };
struct cdev *my_cdevp = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &my_fops; 
my_cdev->owner = &my_fops;

struct file_operations my_fops = { .... };
struct cdev my_cdev ;
cdev_init(&my_cdev,&my_fops);
cdev_add(&my_cdev,num, count)

register_chrdev() という関数で登録することもできる。以前はこの方法が主。

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
    struct file_operations *fops);

◆file_operations構造体

include/linux/fs.h

1486: struct file_operations {
1487:         struct module *owner;
1488:         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
1489:         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
1490:         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
1491:         ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
1492:         ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
1493:         int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
1494:         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
1495:         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
1496:         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1497:         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1498:         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
1499:         int (*open) (struct inode *, struct file *);
1500:         int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
1501:         int (*release) (struct inode *, struct file *);
1502:         int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
1503:         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
1504:         int (*fasync) (int, struct file *, int);
1505:         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1506:         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
1507:         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
1508:         int (*check_flags)(int);
1509:         int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1510:         ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
1511:         ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
1512:         int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
1513: };

主な手続きの意味

owner: モジュールの所有者。THIS_MODULE で初期化するのが普通。モジュールが削除されることを防ぐ。
open(): デバイス・ファイルが open() された時に実行したい関数を登録する。open() 時の処理が不要なら、NULL にする。NULL なら open() は成功する。
read(), readv(), aio_read(): デバイスからデータを読み出す。
write(), writev(), aio_writev(): デバイスに対してデータを書き込む。
ioctl(): システム・コール ioctl() が呼ばれた時の処理を書く。
flush(): ファイルを閉じる時に呼び出される。
llseek(): ファイル中の読み出し／書き込み位置を変更する。

◆inode 構造体

Linux カーネル内で、１つのファイルを表現する構造体。

デバイス・ファイルでは、メジャー番号とマイナー番号を取り出すために使われる。

◆file構造体

開いたファイルを表現するために使われる。

    int fd1 = open("file1");
    int fd2 = open("file1");

ファイル名 "file1" で表現されるファイルの inode 構造体は、1 個でも、 file 構造体は、2 個割り当てられる。

◆random-get.c

/dev/random は、カーネル・レベルの乱数生成器に対応した文字型デバイスのファイルである。これを開いて読み出すと乱数が得られる。

   1:	
   2:	/*
   3:	        random-get.c -- open /dev/random and read a random number.
   4:	        ~yas/syspro/file/random-get.c
   5:	        Created on: 2010/02/15 17:44:07
   6:	*/
   7:	
   8:	#include <stdio.h>
   9:	#include <sys/types.h>  /* open() */
  10:	#include <sys/stat.h>   /* open() */
  11:	#include <fcntl.h>      /* open() */
  12:	#include <unistd.h>     /* read() */
  13:	
  14:	main()
  15:	{
  16:	    long int rand;
  17:	    int fd;
  18:	        if( (fd = open("/dev/random",O_RDONLY)) < 0 )
  19:	        {
  20:	            perror("/dev/random");
  21:	            exit( 1 );
  22:	        }
  23:	        if( read( fd,&rand,sizeof(rand) ) != sizeof(rand) )
  24:	        {
  25:	            perror("/dev/random");
  26:	            exit( 1 );
  27:	        }
  28:	        printf("%x\n", rand );
  29:	}

実行例

% make random-get 
cc -g    random-get.c   -o random-get
% ls -l /dev/random  
crw-rw-rw- 1 root root 1, 8 Jan  8 21:24 /dev/random
% ./random-get 
3cfa18eb
% ./random-get 
c32e41ea
% ./random-get 
8409ee78
% ./random-get 
96a9e4b3
%

/dev/random のメジャー番号は、1、マイナー番号は、8。
読み出すと、毎回異なる値が読める。

◆mem.c

drivers/char/mem.c

 866: static const struct {
 867:         unsigned int            minor;
 868:         char                    *name;
 869:         umode_t                 mode;
 870:         const struct file_operations    *fops;
 871:         struct backing_dev_info *dev_info;
 872: } devlist[] = { /* list of minor devices */
...
 885:         {8, "random",  S_IRUGO | S_IWUSR,           &random_fops, NULL},
...
 891: };
...
 922: static const struct file_operations memory_fops = {
 923:         .open           = memory_open,  /* just a selector for the real open */
 924: };
...
 893: static int memory_open(struct inode *inode, struct file *filp)
 894: {
 895:         int ret = 0;
 896:         int i;
...
 900:         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(devlist); i++) {
 901:                 if (devlist[i].minor == iminor(inode)) {
 902:                         filp->f_op = devlist[i].fops;
...
 908:                         break;
 909:                 }
 910:         }
...
 915:                 if (filp->f_op && filp->f_op->open)
 916:                         ret = filp->f_op->open(inode, filp);
...
 919:         return ret;
 920: }
...
 928: static int __init chr_dev_init(void)
 929: {
...
 937:         if (register_chrdev(MEM_MAJOR,"mem",&memory_fops))
...
 947: }

メジャー番号 1 (MEM_MAJOR) で、デバイスの登録をしている。
memory_fops には、open() があるだけである。
open() では、iminor(inode) で、マイナー番号を得て、それに対応した filp->f_op を設定している。
以後、read() システム・コールが呼ばれると、random_fops で定義されていた read() が呼ばれる。

◆random.cのrandom_read()

drivers/char/random.c

1161: const struct file_operations random_fops = {
1162:         .read  = random_read,
1163:         .write = random_write,
1164:         .poll  = random_poll,
1165:         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1166:         .fasync = random_fasync,
1167: };

 987: static ssize_t
 988: random_read(struct file *file, char __user *buf, size_t nbytes, loff_t *ppos)
 989: {
 990:         ssize_t n, retval = 0, count = 0;
 991: 
 992:         if (nbytes == 0)
 993:                 return 0;
 994: 
 995:         while (nbytes > 0) {
 996:                 n = nbytes;
...
1002:                 n = extract_entropy_user(&blocking_pool, buf, n);
...
1007:                 if (n == 0) {
...
1015:                         wait_event_interruptible(random_read_wait,
1016:                                 input_pool.entropy_count >=
1017:                                                  random_read_wakeup_thresh);
...
1026:                         continue;
1027:                 }
1028: 
1029:                 if (n < 0) {
1030:                         retval = n;
1031:                         break;
1032:                 }
1033:                 count += n;
1034:                 buf += n;
1035:                 nbytes -= n;
1036:                 break;          /* This break makes the device work */
1037:                                 /* like a named pipe */
1038:         }
...
1046:         return (count ? count : retval);
1047: }

 874: static ssize_t extract_entropy_user(struct entropy_store *r, void __user *buf,
 875:                                     size_t nbytes)
 876: {
 883:         while (nbytes) {
...
 893:                 extract_buf(r, tmp);
 894:                 i = min_t(int, nbytes, EXTRACT_SIZE);
 895:                 if (copy_to_user(buf, tmp, i)) {
 896:                         ret = -EFAULT;
 897:                         break;
 898:                 }
 899: 
 900:                 nbytes -= i;
 901:                 buf += i;
 902:                 ret += i;
 903:         }
...
 908:         return ret;
 909: }

read() システム・コールが実行されると、 filp->f_op->read により random_read() が呼ばれる。
random_read() のインタフェースは、file_operations 構造体の read() と同じ。
- struct file *: 開いたファイルを表す file 構造体へのポインタ
- char __user *: ユーザ空間のメモリの番地(仮想アドレス)。
- size_t: コピーしたいバイト数。
- loff_t *: 開いたファイルの中で、どの位置かを示すもの。
extract_entropy_user() で、乱数をユーザ空間にコピーしている。
十分な乱数が得られない時には、wait することがある。
extract_entropy_user() では、既にたまっているバッファから nbytes だけ copy_to_user() 関数を使ってユーザ空間にコピーする。
random_read() の戻り値は、file_operations 構造体の read() に従い ssize_t。
- 引数の nbytes と同じなら、成功。
- 正で、nbytes より小さければ、データの一部だけが返された。
- 0 なら、ファイルの終わりに達した。
- 負の値は、エラー。たとえば、-EFAULT ならアドレスの誤り。

◆copy_from_user()とcopy_to_user()

デバイス・ドライバが動作するカーネル空間とユーザ空間では、「基本的に」異なるアドレス空間を持っている。たとえば、同じ 1000 番地でも、別の内容が含まれていることがある。

カーネル空間とユーザ空間でデータをコピーする時には、次のような特殊な関数を使う必要がある。

unsigned long
copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)

unsigned long
copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

これらの関数は、コピーの途中でページフォールトが発生した時にもうまくコピーできる（ページインの処理でプロセスがスリープすることがある）。また、引数の番地が有効かどうかをチェックする。

Linux では、x86 アーキテクチャでは、カーネル空間とユーザ空間が一部重なっていることがある。この場合、カーネルでmemcpy() を使ったり、直接ポインタを操作してもユーザ空間がアクセスできてしまうが、それは誤りである。

■割り込み

入出力デバイスから「何かが起きた」というイベントを通知してもらう仕組み。
通信の一種とも考えられるが、それだけでは「タイミング」しかわからないので、 1ビットのデータも送受信されない。
割り込みは、次のような時に使われる。
- 入力データが到着した（利用者がキーボードやマウスを操作した、ネットワークからパケットが到着した、ディスクらかの入力が完了した）。
- 出力が完了した＝＝出力バッファが空になった＝＝次の出力が可能になった
CPUは、割り込み信号を受けとると現在実行中のプログラムを一時中断して、「割り込みハンドラ」や「割り込みサービスルーチン」と呼ばれるプログラムに制御を移す。
割り込みハンドラでは、入力処理や次の出力処理を行う。
割り込みハンドラの処理が終了すると、一時中断していたプログラムの実行を再開する。
システム・コールやページフォールトは、デバイスではなく CPU 内部からの割り込みとして扱われることが多い。

◆x86の割り込みコントローラ

Intel 8259 Programmable Interrupt Controller(PIC)
Intel Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC)

◆Intel 8259 PIC

図? x86 の Intel 8259

15 個の割り込み要求線 (Interrupt Request (IRQ) Lines) がある。
割り込みが生じると、INT 線を上げる。
CPU が割り込みを受け付けると、INTA (Interrupt Acknowledge) を上げる。
8259 は、CPU に割り込みベクタと呼ばれる番号を出力する。 IRQ の番号(0から15)と割り込みベクタの対応関係は、変えられる。 x86 Linux では、IRQ0 ならば、0x30, IRQ1 は、0x31, ...., IRQ15 なら 0x3F を使う。
CPU は、割り込みベクタに対応した割り込みハンドラを実行する。
x86 では、8259 を 2 個カスケードしている。
2段目の 8259 の INT 線は、1段目の 2 番に入っている。

◆APIC

図? x86 の APIC

APIC は、次のような割り込み信号を受け取る。

プロセッサのピン(LINT0, LINT1)
内部のタイマ
内部のパフォーマンス・モニタ
内部の温度センサ
内部のAPICエラー
他のプロセッサ(プロセッサ間割り込み)
外部の I/O APIC。普通、24個の割り込みを受付可能。

◆/proc/interrupts

/proc/interrupts は、割り込みの回数を保持している。

% cat /proc/interrupts 
           CPU0       
  0: 3599685028  local-APIC-edge  timer
  1:      27624    IO-APIC-edge  i8042
  2:          0          XT-PIC  cascade
  8:         42    IO-APIC-edge  rtc
 12:     546018    IO-APIC-edge  i8042
 14:   32380268    IO-APIC-edge  ide0
145:          0   IO-APIC-level  i915@pci:0000:00:02.0
153:   19131822   IO-APIC-level  eth0
161:          0   IO-APIC-level  uhci_hcd
169:    2012268   IO-APIC-level  libata
177:          0   IO-APIC-level  ehci_hcd, uhci_hcd
185:          0   IO-APIC-level  Intel ICH, uhci_hcd
193:          0   IO-APIC-level  uhci_hcd
NMI:          0 
LOC: 3599732928 
ERR:          0
MIS:          0
%

◆x86 Interrupt Descriptor Table (IDT)

x86 IDT は、ハードウェア・レベルの割り込みハンドラの一覧表を保持する。その先頭番地は、IDTR レジスタに保存される。

arch/x86/kernel/traps.c
  79: gate_desc idt_table[256]
  80:         __attribute__((__section__(".data.idt"))) = { { { { 0, 0 } } }, };
...
 911: void __init trap_init(void)
 912: {
 923:         set_intr_gate(0, &divide_error);
 924:         set_intr_gate_ist(1, &debug, DEBUG_STACK);
 925:         set_intr_gate_ist(2, &nmi, NMI_STACK);
...
 943:         set_intr_gate(14, &page_fault);
...
 974:         set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
...
 986: }

arch/x86/include/asm/irq_vectors.h:
37:# define SYSCALL_VECTOR                   0x80

trap_init() は、IDT を初期化する。
ITD のインデックスは、割り込みベクタ。
割り込みベクタは、0 から 0xff まである。0 から 0x1f は、Intel により使い方が決められている。
割り込みベクタ 14 で、page_fault() という関数(アセンブリ言語による記述、arch/x86/kernel/entry_32.S)が登録されている。
割り込みベクタ 0x80 で、system_call() という関数が登録されている。

◆init_8259A()

arch/x86/kernel/i8259.c
 308: void init_8259A(int auto_eoi)
 309: {
....
 322:         outb_pic(0x11, PIC_MASTER_CMD); /* ICW1: select 8259A-1 init */
 324:         /* ICW2: 8259A-1 IR0-7 mapped to 0x30-0x37 on x86-64,
 325:            to 0x20-0x27 on i386 */
 326:         outb_pic(IRQ0_VECTOR, PIC_MASTER_IMR);
...
 360: }

arch/x86/include/asm/irq_vectors.h
34:#define FIRST_EXTERNAL_VECTOR             0x20
52:#define IRQ0_VECTOR                       (FIRST_EXTERNAL_VECTOR + 0x10)

arch/x86/include/asm/i8259.h:
14:#define PIC_MASTER_IMR          0x21

init_8259A() は、Intel 8259 PIC を初期化する。
Intel 8259 PIC は、IRQ0 用に割り込みベクタ 0x30 を使う。
outb_pic() は、特殊な outb()。

◆Linux の割り込みハンドラ

Linux は、アーキテクチャから独立した割り込み処理の仕組みを持つ。 x86 では、do_IRQ(), handle_irq() が、ハードウェア依存。その後、ハードウェアから独立した struct irq_desc に含まれている手続きが呼ばれる。

CPUアーキテクチャに独立した形で割り込みハンドラを登録するには、 request_irq() を用いる。

include/linux/interrupt.h

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
            const char *name, void *dev)

irq: 割り込みベクタ
handler: 割り込みハンドラ。
flags: フラグ。
name: 名前。/proc/interrupts に現れる。
dev: デバイス。

     ...
     ... memcpy( ..., ..., .... );
     ...

なお、memcpy() のインタフェースは、次のようになっている。

void * memcpy(void *destination, const void *source, size_t len);

なお、memcpy() を使わなくて、ポインタや配列を操作して独自にコピーしてもよい。

Last updated: 2010/02/16 12:22:18

Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>