Глава 1. Введение в драйвера устройств
About: "По мотивам перевода" Linux Device Driver 2-nd edition.
Перевод: Князев Алексей knzsoft@mail.ru
Дата последнего изменения: 03.08.2004
Авторскую страницу А.Князева можно найти тут :
http://lug.kmv.ru/wiki/index.php?page=knz_ldd2
Архивы в переводе А.Князева лежат тут:
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch1.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch2.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch3tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch4.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch5.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch6.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch7.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch8.tar.bz2
http://lug.kmv.ru/wiki/files/ldd2_ch13.tar.bz2
Интерес к написанию драйверов для Linux устойчиво растет, по мере роста
популярности этой операционной системы. Linux – межплатформенная ОС,
большая часть кода которой, не зависит от аппаратной платформы, и
большинство пользователей (к счастью) могут ничего не знать об ее
аппаратных особенностях. Большей частью, особенности каждой аппаратной
платформы сокрыты в реализации драйверов, которые и делают возможной
работу ОС на данной платформе.
Драйвера устройств играют специальную роль в ядре Linux. Они
представляют собой “черные ящики”, которые обрабатывают определенную
часть запросов к аппаратной части Linux ядра через хорошо
организованный внутренний программный интерфейс. Особенности работы
каждого конкретного устройства полностью скрыты в коде драйвера.
Запросы пользователей посылаются через стандартный набор системных
вызовов, который не зависит от конкретного драйвера (но, несколько
зависит от класса обслуживаемого устройства). Эти запросы отображаются
на аппаратно-зависимые функции, которые управляют реальными
устройствами. Именно набор этих функций и играют роль драйвера
устройств. Программный интерфейс реализован таким образом, что драйвера
могут быть построены отдельно от ядра, и прилинкованы (связаны с ядром)
в запущенное ядро по мере надобности. Это свойство драйверов в Linux
называется модульностью и сильно упрощает написание и управление
драйверами.
Таким образом, драйвера в Linux могут быть реализованы как часть
ядра, а могут быть реализованы как модули, линкуемые (устанавливаемые)
в ядро по мере необходимости.
Эта книга научит вас тому, как можно написать свой собственный
драйвер и как просматривать определенные части ядра. Мы будем
рассматривать аппаратно-независимое приближение. При необходимости,
будет представлена техника программирования и интерфейс, не
применительно к какому-либо устройству. Каждый драйвер уникален, как и
программист, который его пишет. Лично вам потребуется глубокое
понимание специфики вашего устройства. Но несмотря на уникальность
каждого конкретного драйвера, большинство принципов одинаковы для всех
драйверов. Эта книга не научит вас работать с вашим устройством, но она
расскажет вам об общих принципах, которые помогут вам заставить ваше
устройство работать.
Пока вы будете учиться писать драйвера, вы многое узнаете о ядре
Linux, и это поможет вам понять, как работает машина вообще, и почему
некоторые вещи работают не так, как вы ожидаете. Мы будем знакомиться с
новыми идеями постепенно, начиная с очень простых драйверов. Каждую
новую концепцию мы будем сопровождать простым кодом, не относящемуся к
какой-то конкретной аппаратной конструкции.
В этой главе мы не будем писать какого-либо кода. Однако, мы
познакомимся с некоторыми базовыми концепциями, знание которых поможет
нам в дальнейшем программировании.
Роль драйверов устройств
Как программисту, при написании драйвера, вам предстоит разрешить
компромисс между временем, затраченным на программирование, и гибкостью
результирующего кода. И хотя многим может показаться странным говорить
о “гибкости” драйвера (англ. flexibility, имеется в виду гибкость,
с точки зрения политики управления драйвером), но нам нравится это
слово, потому что оно подчеркивает роль драйвера устройства, который
обеспечивает механизм взаимодействия с устройством, но не политику
управления им.
Различие между механизмом управления и политикой управления
представляет собой одну из лучших идей в Unix архитектуре. Большинство
проблем программирования можно разделить на две части: “какие
характеристики необходимо обеспечить” (функциональность и связанный с ней механизм реализации), и “как эти характеристики можно будет использовать” (политика).
Если эти два элемента реализуются разными частями программы, или даже
разными программами, то такой программный пакет легче разрабатывать и
адаптировать к конкретным целям.
Для примера, Unix управление графическим дисплеем разделено между X
сервером, с одной стороны, и менеджерами окон и сессии с другой. X
серверу, который предоставляет унифицированный интерфейс для
пользовательских программ, известны особенности оборудования. Ни
менеджер окон, ни менеджер сессии ничего не знают об аппаратных
особенностях дисплея. Пользователи могут использовать один и тот же
оконный менеджер на разных аппаратных платформах, или использовать
различные оконные менеджеры на одной и той-же рабочей станции. Даже
совершенно различные десктопы, такие как KDE и GNOME могут
сосуществовать на одной системе, благодаря хорошо продуманной
архитектуре графической подсистемы Unix.
Другой пример слойной структуры – это семейство протоколов TCP/IP.
Операционная система предоставляет абстракцию, называемую сокет
(socket), которая реализует передачу данных, но не управляет политикой
такой передачи. С другой стороны, различные сетевые серверы,
предоставляющие различные сервисы, опираясь на транспорт сокетов,
реализуют политику передачи данных. Кроме того, серверы, наподобии ftpd
реализуют сервис передачи файлов, в то время как пользователи могут
использовать любую клиентскую программу, которую они предпочитают, для
работы с этим сервером. Таким образом, политика, должна быть
максимально свободна от реализации всех остальных функций системы.
Ко всем типам драйверов применимо одно и то-же разделение механизма
управления и политики управления. Драйвер дисковода для гибких дисков
не содержит в своем коде никакой политики, его роль – показать
содержимое дискеты как последовательность блоков данных. Более высокие
уровни операционной системы обеспечивают политику управления: какие
пользователи могут получить доступ к дисководу, читается ли диск
напрямую или через файловую систему, и какие пользователи могут
монтировать файловую систему, расположенную на дискете. Т.к., в
зависимости от разных причин, требуется различный способ работы с
устройством, очень важно, чтобы код драйвера был свободен от политики
настолько, насколько это возможно.
При написании драйвера, программист должен уделить особенное
внимание следующей фундаментальной концепции: пишите код взаимодействия
с аппаратурой, но не форсируйте проблемы политики использования
драйвера, т.к. различные пользователи могут иметь различные требования
к этой политике. Управлять такой политикой должны пользовательские
приложения. Драйвер, который обеспечивает доступ к оборудованию без
дополнительных ограничений называется гибким. Однако, для упрощения
кода драйвера, в некоторых случаях, требуется присутствие в его коде и
некоторых политических решений. Например, драйвер ввода/вывода может
предоставлять только побайтовый доступ к аппаратным ресурсам, для того,
чтобы не перегружать драйвер дополнительным кодом доступа к
индивидуальным битам.
Вы можете смотреть на ваш драйвер с различных точек зрения. С одной
стороны это программный слой, лежащий между приложением и реальным
устройством. Эта особая роль драйвера позволяет программисту определить
представление устройства в программе – различные драйвера могут иметь
различные характеристики даже для одного и того же устройства. При
разработке драйвера решаются различные компромиссы. Например, простое
устройство может использоваться одновременно различными программами, и
программист должен решить, каким образом будут обрабатываться такие
параллельные запросы. Вы можете реализовать отображение памяти на
устройство независимо от аппаратных особенностей платформы, или вы
можете предоставить пользовательскую библиотеку, реализующую особенную
политику управления, для приложений, использующих драйвер. Основной
компромисс заключается между желанием предоставить наиболее полный
набор функций управления устройством и между тем временем, которое вы
желаете потратить на реализацию драйвера и устранение ошибок.
Драйверы не реализующие политику управления имеют некоторые общие
особенности. В них реализована поддержка синхронных и асинхронных
операций. Они обеспечивают параллельные запросы (например, одновременно
от разных приложений). Они в состоянии предоставить наиболее полные
характеристики оборудования. Также, в них максимально сокращено
количество программных слоев, что несколько упрощает проектирование и
ускоряет работу драйвера. Драйвера этого сорта не только работают
лучше, с точки зрения конечных пользователей, но и более просты в
использовании.
Многие драйвера устройств реализуются совместно с пользовательскими
программами, упрощающими конфигурирование и доступ к устройству.
Диапазон этих программ достаточно широк, от простых утилит до сложных
графических приложений. Часто, также, предоставляются клиентские
библиотеки, обеспечивающие более высокоуровневый доступ к функциям
драйвера.
В рамках данной книги описывается ядро операционной системы Linux,
поэтому мы попытаемся обойти стороной вопросы политики управления
устройствами, построения клиентских программ и клиентских библиотек.
Конечно, в особых случаях, мы будем касаться политики управления
устройством, но не станем акцентировать на этом внимание. Вы должны
понимать, что пользовательские программы являются неотъемлемой частью
комплекса управления устройством, и что, как минимум, этот комплекс
подчиняется общесистемной политике.
Структура ядра
В системе Unix, множество, конкурирующих за ресурсы, процессов
заняты решением различных задач. Каждый процесс запрашивает системные
ресурсы, такие как процессорное время, память, сетевые и файловые
службы, и прочее. Ядро представляет собой программный код, в задачу
которого входит разделение ресурсов вычислительной системы между
различными процессами. И хотя различия между различными задачами ядра
не всегда прозрачны для понимания, можно попытаться изобразить
взаимодействие различных элементов ядра в виде структурной схемы, как
показано на рисунке 1-1.
Рисунок 1-1. Структурная схема ядра.
- Управление процессами
-
Одной из функций ядра является управление созданием и уничтожением процессов,
обеспечение взаимодействие процессов с внешним миром (ввод/вывод) и обеспечение
взаимодействия процессов между собой (сигналы, трубы (pipes), и IPC-примитивы
(interprocess communication). Также, в функции управления процессами, входит
диспетчеризация процессов, которая управляет разделением времени процессора между процессами.
- Управление памятью
- Память компьютера представляет собой очень важный ресурс компьютера, и реализация
политики его разделения существенно влияет на производительность операционной системы.
Ядро предоставляет огромные виртуальные пространства памяти некоторым или всем процессам
на фоне ограниченных физических ресурсов. Различные части ядра взаимодействуют с
подсистемой управления памятью через определенный набор функций, начиная от простой
пары malloc()/free() и заканчивая множеством более сложных экзотических функций.
- Файловые системы
-
Unix жестко связан с концепцией файловых систем: почти все в Unix может быть представлено
как файл. Ядро выстраивает структурированную файловую систему из неструктурированного
аппаратного слоя, и результирующая файловая абстракция жестко вплетена во все компоненты системы.
В дополнении к этому, Linux поддерживает множество типов файловых систем, которые различным
способом организуют данные на физических носителях информации. Для примера, дискета может
быть отформатирована либо в Linux стандарте, файловой системе ext2, либо, в распространенных на
Windows платформе, форматах FATx.
- Управление устройствами
-
Практически каждая системная операция, в конечном счете, отображается на физическое
устройство. За исключением процессора, памяти и некоторых других элементов, все остальные
операции управления устройствами выполняются кодом, специфичным для адресуемого устройства.
Этот код называется драйвером устройства. Ядро должно включать в себя драйвер каждого
устройства, управляемого системой, начиная от жесткого диска и заканчивая клавиатурой и мышью.
Именно этот аспект функциональности ядра представляет главный интерес для данной книги.
- Сетевые службы
-
Сетевой транспорт должен быть реализован в ядре операционной системы, т.к. большинство
сетевых операций не специфичны для процессов – поступление пакетов является асинхронным
событием. Пакеты должны быть собраны, идентифицированы и диспетчеризованы перед тем, как будут
переданы на дальнейшую обработку в пользовательские процессы. Система должна управлять передачей
пакетов данных между программами через сетевые интерфейсы. Маршрутизация и система распознавания
различных классов сетевых адресов, также должны быть реализована в ядре операционной системы.
Продвигаясь к концу книги вы познакомитесь более подробно с функциями ядра в главе 16.
Одной из замечательных характеристик ядра Linux является способность
расширять функциональность ядра во время его работы. Это означает, что
вы можете добавить требуемые функции в ядро без перезагрузки
операционной системы.
Драйвер, который может быть прилинкован (добавлен) к ядру во время
его работы называется модулем. Ядро Linux поддерживает несколько типов
(или классов) модулей. Модуль представляет собой объектный код (т.е.
код не линкованный в исполняемую программу), который может быть
динамически установлен в ядро с помощью программы insmod, и удален из ядра, с помощью команды rmmod.
На рисунке 1-1 изображены различные классы модулей, исполняющих
специфические задачи. Говорят, что модули принадлежат определенному
классу, в зависимости от функциональности, которую они предлагают.
Положение модулей на рисунке 1-1 покрывает наиболее важные, но далеко
не полные классы модулей, т.к. функциональность, реализуемая модулями в
Linux, все более и более расширяется.
Классы устройств и модулей
В Unix, устройства подразделяются на три класса (типа). Каждый
модуль реализует поддержку одного из этих классов устройств, и, таким
образом, подразделяется на модули символьных, блочных и сетевых
устройств. Такое разделение модулей на различные классы не является
жестким. Программист может создать большой модуль, реализующий
различные драйверы в одном куске кода. Однако, более верным стилем
программирования является создание различных модулей для каждой новой
функциональности, которую они добавляют, т.к. декомпозиция является
ключевым элементом масштабируемости и расширяемости.
Рассмотрим более подробно все три класса устройств:
Символьные устройства (character devices)
Символьным называется устройство, которое может быть представлено
потоком байт (как файл). Такие драйвера реализуют, по меньшей мере,
системные вызовы open(), close(), read() и write(). Текстовая консоль
(/dev/console) и последовательные порты (/dev/ttyS0 и аналогичные)
представляют собой примеры символьных устройств, т.к. они отлично
представляются через абстракцию потока. Доступ к символьным устройствам
реализуется через специальные файлы, называемые интерфейсами устройств,
которые обычно располагаются в каталоге /dev. Отличие между символьным
устройством и файлом, заключается в том, что открыв обычный файл, вы
можете перемещаться по нему как вперед, так и назад, в то время как
символьное устройство представляет собой последовательный канал данных.
Однако, существуют символьные устройства, которые представляются как
область данных, и вы также можете перемещаться по ней как вперед, так и
назад, используя функции lseek() и mmap().
Блочные устройства (block devices)
Доступ к блочным устройствам, так же как и к символьным,
осуществляется через специальные файлы-интерфейсы устройств,
расположенные, обычно, в каталоге /dev. На блочных устройствах, как
правило, размещаются файловые системы. В большинстве Unix систем,
блочные устройства могут быть представлены только как множество блоков.
Размер блока кратен степени двух и часто равен одному килобайту данных.
Linux позволяет приложениям читать и писать в блочные устройства, также
как и в символьные. Разница заключается в том, что при обращении к
блочному устройству передается блок данных, а не один байт (символ).
Для пользователя, блочные и символьные устройства неразличимы. Драйвер
блочного устройства взаимодействует с ядром через более широкий
блочно-ориентированный интерфейс, но это скрыто от пользователя и
приложений, которые взаимодействуют с устройством через файл интерфейса
устройства, расположенного, как правило, в каталоге /dev. Интерфейсы
блочных устройств наиболее удобны для монтирования файловых систем.
Сетевые интерфейсы (network interfaces)
Передача данных по сети характеризуется тем, что сетевое устройство,
передающее трафик, взаимодействует с другим, таким же устройством.
Обычно, сетевой интерфейс реализован на основе аппаратного устройства,
но возможна и чисто программная реализация, например интерфейс
loopback. На сетевой интерфейс, который управляется сетевой подсистемой
ядра, наложены функции приема и передачи пакетов данных, без понимания
того, как конкретные транзакции отображаются на реально передаваемые
пакеты. Разные сетевые службы, например telnet или FTP, ведут передачу
данных через одно и тоже сетевое устройство, которое не знает об
индивидуальных потоках, и только передает пакеты данных. При этом, и
telnet и FTP являются потокоориентированными системами, в то время как
сетевой интерфейс не принадлежит к потокоориентированным устройствам, а
работает с дискретными данными - пакетами. Под потокоориентированной
системой следует понимать систему передающую данные непрерывным потоком
байт, не дискретизируя поток на какие-нибудь блоки (пакеты, фреймы и
пр.).
Не будучи потокоориетированным, сетевой интерфейс не может быть
легко представлен через файловый интерфейс устройства, наподобии
/dev/tty1. В ОС Unix, доступ к сетевому интерфейсу осуществляется через
уникальное имя, такое как eth0, которое не является элементом файловой
системы. Взаимодействие между ядром и драйвером сетевого устройства
полностью отличается от взаимодействия с символьным и блочным
устройством. Вместо чтения и записи, ядро вызывает функции, относящиеся
к передаче пакетов.
В ОС Linux представлены и другие классы модулей. Модули каждого
класса предоставляют интерфейс для предоставления определенного типа
устройств. Поэтому, можно говорить о модулях шины USB,
последовательного порта и т.д. К наиболее общему, нестандартному классу
устройств относятся устройства SCSI. И хотя любое устройство
подсоединенное к шине SCSI представляется файлом интерфейсом в каталоге
/dev как символьное или блочное устройство, внутренняя организация
таких драйверов отличается.
SCSI
есть акроним от Small Computer System Interface, и представляет собой
учрежденный стандарт на рынке рабочих станций и high-end серверов.
Также как сетевые карты обеспечивают аппаратно-зависимую
функциональность сетевой подсистемы, также, контроллеры SCSI
обеспечивают функциональность подсистемы SCSI для доступа к устройствам
на соответствующей шине. SCSI представляет коммуникационный протокол
между компьютером и периферийными устройствами, и каждое SCSI
устройство работает в этом протоколе, независимо от того, какой
контроллер установлен на вашем компьютере. Поэтому ядро Linux включает
в себя реализацию SCSI (т.е. отображает файловые операции на
коммуникационный протокол SCSI). Разработчик драйвера должен
реализовать отображение между SCSI абстракцией и физической шиной. Это
отображение зависит от SCSI контроллера и не зависит от устройств,
подключенных к SCSI шине.
Другие классы устройств добавлены к ядру в последнее время, включая
драйвера USB, FireWire и I2O. По подобию управления драйверами SCSI,
разработчики ядра классифицируют характеристики классов устройств и
передают их реализацию на уровень драйверов. Такая классификация
необходима, прежде всего, для того, чтобы избежать дублирования работы
и ошибок, упрощая, тем самым, процесс написания таких драйверов.
В добавление к драйверам устройств, в ядре модуляризируются и другие
функции для поддержки программно-аппаратных технологий. Помимо
драйверов устройств, файловые системы, возможно, представляют собой
важнейший класс модулей системы Linux. Тип файловой системы определяет
способ организации информации о дереве файлов и каталогов на блочном
устройстве. По своей сути это не драйвер устройства, т.к. нет явного
устройства, связанного со способом размещения информации на нем.
Драйвер файловой системы представляет собой программный слой,
отображающий низкоуровневые структуры данных (блоки) в высокоуровневые
(деревья). Тип файловой системы определяет набор атрибутов и
максимальную длину имени файла. Модуль файловой системы должен
реализовать самый нижний уровень системных вызовов при обращении к
файлам и каталогам. Реализация заключается в отображение имен файлов и
путей на структуру данных, сохраняемых в блоках данных устройства. При
этом учитывается дополнительная информации, такая как режимы доступа.
Такой интерфейс совершенно не зависит от реальной передачи данных с
диска и на диск (или другую среду), который реализуется драйвером
блочного устройства.
Если вы понимаете как сильно система Unix зависит от используемой
файловой системы, то вы легко представите себе жизненную важность такой
программной концепции для системных операций. Способность декодировать
информацию о файловой системе лежит на самом нижнем уровне иерархии
ядра, и это очень важно. Даже если вы пишете блочный драйвер для вашего
нового устройства CD-ROM, он будет бесполезным, если вы не сможете
выполнить команды ls или cp для данных, которые содержаться на
установленном в нем диске. Linux поддерживает концепцию модулей
файловых систем, чей программный интерфейс описывает различные
операции, которые могут быть выполнены над inode, каталогом, файлом и
суперблоком файловой системы. Написание модулей для файловых систем
достаточно редкая задача, т.к. официальное ядро уже содержит код для
большинства типов существующих файловых систем.
Замечания о безопасности
Вопросы безопасности для современных систем представляют собой
весьма актуальную задачу постоянно растущей важности. По мере
продвижения по книге, мы будем затрагивать эти вопросы. Однако, имеются
несколько важных понятий, которые стоит затронуть уже сейчас.
Нарушение безопасности системы может быть рассмотрено в двух
аспектах – случайном и преднамеренном. Обычный пользователь может
случайно нарушить безопасность системы в результате неправильного
использования программ, или в результате использования программ,
содержащих ошибки. Программист, имея, как правило, более высокую
квалификацию, нежели обычный пользователь, потенциально представляет
большую заботу для системы безопасности. Запуск чужой программы под
логином суперпользователя означает, иногда, передачу создателю
программы прав суперпользователя. И хотя свободный доступ к компилятору
напрямую не означает дыру в безопасности, но эта дыра может стать явной
после запуска откомпилированной программы или, тем более модуля.
Помните, что модуль установленный в ядро может делать все что угодно,
без каких либо серьезных ограничений.
Любая проверка безопасности в системе порождается кодом ядра. Если
ядро имеет дыру в безопасности, значит эту дыру имеет операционная
система. При использовании официальной версии ядра, загрузка модулей
разрешена только авторизованным пользователям. Системный вызов
create_module() проверяет авторизацию пользователя при загрузке модуля
в ядро. Таким образом, при использовании официальной версии ядра,
использование привилегированного кода допустимо только
суперпользователем или злоумышленником получившем права
привилегированного пользователя.
Версия
ядра 2.0 позволяет запускать привилегированный код только
суперпользователю, в то время как версия 2.2 имеет более изощренные
способы проверки авторизации. Мы обсудим это в главе 5 "Capabilities
and Restricted Operations" и "Enhanced Char Driver Operations".
По возможности, разработчики драйверов должны избегать политики
безопасности в своем коде. Безопасность системы это проблема политики
управления, которая часто решается на верхних уровнях ядра или системы
лучшим способом, и управляется системным администратором. Однако,
всегда имеются исключения из этого правила. Как разработчик драйвера,
вы должны избегать ситуаций, в которых, через запросы к драйверу можно
получить злоумышленный доступ к системным ресурсам. Т.е. вы должны
обеспечить адекватный контроль таких запросов. Например, операции с
устройством, которые управляют глобальными ресурсами (такими как
установка линий прерываний) или операции, которые не должны
производиться другими пользователями (такие как установка размера блока
по умолчанию на магнитном накопителе) обычно доступны только
привилегированным пользователям, и такая проверка должна быть
реализована в самом драйвере.
Конечно же, разработчики драйверов должны быть особенно внимательны
и избегать ошибок при реализации системы безопасности. Язык
программирования C, позволяет легко допустить некоторые типы ошибок.
Например, сегодня известно множество дыр в безопасности системы,
которые открываются через переполнение буфера. Программисты забывают
проверить количество данных передаваемых в буфер обмена между
программами. Такие ошибки могут иметь непредсказуемые последствия для
системы в целом, и для ее безопасности в частности. Поэтому таких
ошибок надо избегать. К счастью, в контексте драйверов устройств,
избежать таких ошибок относительно легко, так как интерфейс драйвера с
пользователем жестко определен и хорошо контролируется.
Стоит ознакомиться с некоторыми основными идеями безопасности. К
любым входным данным, полученным от пользовательского процесса, стоит
относиться с большим подозрением. Никогда не доверяйте данным не
проверив их. Будьте внимательны при инициализации памяти. Любая память
полученная из ядра должна быть инициализирована (например, обнулена)
сразу, или, хотя бы, перед тем, как она будет передана
пользовательскому процессу или устройству. В противном случае, может
произойти утечка информации. Если ваше устройство интерпретирует данные
посланные в него, то будьте уверены, что пользователь не может послать
ничего, что могло бы подвергнуть систему риску сбоя. Наконец, думайте о
возможных последствиях дисковых операций. Если какие либо специфические
операции (например, форматирование диска) могут повредить систему, то
они должны быть ограничены привилегиями пользователей.
Будьте внимательны, когда получаете программный продукт со стороны,
особенно если он связан с работой в ядре. Помните, что каждый, кто
имеет источники кода, может его модифицировать и перекомпилировать. В
результате, всем известная программа может превратиться в троянского
коня. Как правило, вы можете доверять ядру полученному вами из
дистрибутива, но вы не должны использовать ядра, компиляция которых
произведена кем-то, кому вы не доверяете. Например, ядро,
откомпилированное с преднамеренным злым умыслом, может позволить
загружать в себя модули кому угодно, что полностью открывает двери к
системе через создание модулей.
Заметьте, что ядро Linux может быть собрано без поддержки модулей
вообще, что закроет одну из потенциальных дыр в безопасности системы. В
этом случае, конечно, все необходимые драйвера должны быть встроены в
ядро. Также, используя ядра версии 2.2 и выше, возможно запрещение
загрузки модулей после загрузки системы через специальный механизм.
Нумерация версий
Перед началом программирования, мы бы хотели прокомментировать схему
нумерации версий ядра, используемую в Linux. Также, следует сказать о
версиях, для которых материал книги является актуальным.
Прежде всего, обратите внимание, что каждый программный пакет,
используемый в ОС Linux имеет свой собственный номер релиза, и что
часто, имеются зависимости между релизами различных пакетов. Создатели
Linux дистрибутивов решают проблемы совместимости пакетов. Поэтому
пользователи, которые инсталлируют пакеты из таких дистрибутивов, не
интересуют вопросы совместимости версий зависимых пакетов. Взяв новый
пакет со стороны, или решив апгрейдить существующий пакет, вы можете
столкнуться с проблемой совместимости. К счастью, большинство
современных дистрибутивов поддерживают автоматическую проверку
зависимостей пакетов. И, обычно, менеджеры пакетов не позволят
установить пакет до удовлетворения зависимостей.
Для того, чтобы запустить примеры приводимые в книге вам не будут
нужны, какие-нибудь особые версии инструментов, за исключением ядра –
можно использовать любой современный Linux дистрибутив. Те читатели,
кому интересно, могут ознакомиться с особенностями, используемой ими
версии ядра, в файле Documentation/Changes в каталоге источников ядра
(как правило /usr/src/linux/).
Что касается версий ядра, то четно нумерованные версии (например
2.2.х или 2.4.х) отражают стабильность версии и предназначены для
использования в готовых дистрибутивах. Нечетно нумерованные версии
(например 2.3.х), наоборот, отражают нестабильность и предназначены для
тестеров и разработчиков.
Эта книга охватывает версии ядра от 2.0 до 2.4. Акцент сделан на
описании характеристик версии 2.4, последней, на момент написания
книги. Версия 2.2 отражена в книге практически полностью. Сосредоточено
внимание на различиях 2.2 и 2.4, а также на характеристиках недоступных
в 2.0. В общем, примеры приведенные в книге должны соответствовать
широкому диапазону версий ядра. Примеры тестировались на версии 2.4.4,
и применимы, также для версий 2.2.18 и 2.0.38 (по оригинальному
английскому тексту непонятно, тестировались ли примеры на чем-нибудь
кроме 2.4.4).
В тексте книги специально не рассматриваются нечетно-нумерованные
версии ядра. Т.к. разработчики, экспериментирующие с новыми
характеристиками нестабильных ядер, обычно, достаточно искусно работают
с кодом ядра и данная книга не представляет для них интереса. Обычные
пользователи, которые могут стать читателями данной книги, не имеют
причин для использования нестабильных ядер. Следует заметить, что на
экспериментальные версии ядер не предоставляется никаких гарантий.
Заметьте,
что даже если вы пользуетесь четно-нумерованными ядрами, какие-либо
гарантии вам может обеспечить только коммерческий дистрибьютор, на
основе договора о купле-продаже.
Как уже говорилось, Linux является аппаратно-независимой
операционной системой. Это уже давно не “Unix клон для PC клонов”.
Linux успешно работает на процессорах Alpha и SPARC, на платформах
68000 и PowerPC. Число платформ, поддерживаемых Linux растет, наверное,
каждый месяц. Эта книга, насколько это возможно,
платформенно-независима. Примеры были протестированны на нескольких
платформах, таких как PC, Alpha, ARM, IA-64, M68k, PowerPC, SPARC,
SPARC64, и VR41xx (MIPS). Т.к. код был протестирован как на 32-битных,
так и на 64-битных процессорах, он, предположительно, должен
откомпилироваться и запуститься на любых других платформах.
Условия лицензии
Операционная система Linux, лицензирована GNU General Publib License
(GPL). GPL разработана в рамках проекта GNU организацией Free Software
Foundation. GPL позволяет всем желающим заниматься распространением, и
даже продажей, продуктов, выпущенных под данной лицензией. Пользователи
таких продуктов могут собирать точные копии бинарных файлов из
источников, предоставляемых согласно лицензии. Кроме того, все
программные продукты, произведенные на основе продуктов,
лицензированных GPL, также должны выпускаться под лицензией GPL.
Главной целью этой лицензии является разрешение свободного
распространения знаний. Кому угодно, на основе определенных правил,
разрешена модификация существующих программ. В тоже время, люди,
занимающиеся продажей программного обеспечения, могут спокойно делать
свою работу, продавая, в том числе, программы лицензированные GPL.
Несмотря на простейшие цели, проставленные GPL, до сих пор не
прекращаются бесконечные споры о GPL и ее использовании. Если вы хотите
ознакомиться с лицензией, вы можете найти ее в различных местах вашей
файловой системы, включая каталог размещения источников ядра:
/usr/src/linux. Название файла с лицензией – COPYING.
Модули третьих фирм и ваши собственные модули не являются частью
ядра Linux, и вы имеете право не лицензировать их под GPL. Модули
линкуются в ядро при установке, но не являются частью ядра. Модули, в
какой-то степени, похожи на пользовательские программы, работающие с
ядром через системные вызовы. Заметьте, что освобождение от GPL
применимо только к модулям, использующим открытый интерфейс модулей.
Модули, которые взаимодействуют с ядром на более глубоком уровне должны
твердо придерживаться условий GPL.
В общем, если ваш код входит в ядро, вы должны использовать GPL, как
только вы отдаете свой код за пределы собственного пользования. Также,
изменяя код, вы можете не использовать GPL, пока вы являетесь
единоличным пользователем измененного кода. Если же вы распространяете
код, то вы должны включать источник кода в дистрибутив, чтобы
пользователи, которые его приобрели, могли бы сами скомпилировать
бинарные формы для них. С другой стороны, если вы сами пишите модуль,
вы можете распространять его в бинарной форме. Однако, это не всегда
практично, т.к. модули должны быть скомпилированы с той версией ядра, в
которое они должны быть слинкованы (установлены). Это подробно
обсуждается в главе 2 "Building and Running Modules" (раздел "Version
Dependency") и главе 11 "kmod and Advanced Modularization" (раздел
"Version Control in Modules"). Новые версии ядра (даже младшие
стабильные релизы) часто отказывают в линковке прекомпилированным
модулям, требуя перекомпиляцию. Линус Торвальдс высказал мнение, что он
не видит в этом проблемы, т.к. модуль должен быть скомпилирован для той
версии ядра, в которую он, предположительно, будет установлен. Как
разработчик модуля вы будете более полезны пользователям, если
источники вашего модуля будут доступны для них.
Большая часть кода, размещенного в данной книге, свободно
распространяемая. Ни мы ни O'Reilly & Associates не
удерживают права на любое изменение приведенного кода. Все программы
доступны на http://examples.oreilly.com/linuxdrive2. Там-же, в файле LICENSE изложены условия лицензирования приведенного кода.
Примеры программ, содержащиеся в книге, включают код ядра, применяется соглашения GPL, т.е. вносятся необходимые комментарии.
Вступление в общество разработчиков ядра (Kernel Development Community)
Как только вы начнете писать модули для ядра Linux, вы станете частью
большого сообщества разработчиков. Внутри этого сообщества, вы найдете
не только людей, занимающихся подобной работой, но и группу
высококвалифицированных инженеров, работающих над улучшением Linux
системы. Эти люди могут помочь вам советами, идеями и критическими
замечаниями. Среди них, вы легко найдете тестеров вашего нового
драйвера.
Центральное место взаимодействия разработчиков Linux ядра –
linux-kernel mailing list. На него подписаны все основные разработчики,
начиная с Линуса Торвальдса. Трафик этого почтового листа достигает 200
сообщений в день и более. Несмотря на это, данная информация очень
важна для тех, кто интересуется разработкой ядра.
Для того, чтобы подписаться на linux-kernel mailing list следуйте инструкциям, которые лежат в FAQ по адресу http://www.tux.org/lkml.
Пожалуйста, прочитайте данный FAQ до конца, прежде чем подписаться на
него. Там может оказаться масса полезной информации для вас.
Разработчики Linux ядра очень занятые люди, и они более расположены
помочь тем, кто может ясно излагать свои проблемы.
Обзор книги
Итак, мы вступаем в мир программирования ядра. Глава 2 “Построение и
запуск модулей” ознакомит вас с построением модулей, объясняя секреты
мастерства на основе приводимых примеров. В главе 3 “Символьные
устройства” подробно рассматриваются драйвера символьных устройств и
приводится полный код memory-based драйвера устройства, с которым можно
производить операции чтения и записи. Использование памяти как
аппаратной основы позволяет кому угодно запустить простой код без
использования специального оборудования.
Техника отладки имеет жизненно важное значение для программиста и
обсуждается в главе 4 “Техника отладки”. Получив навыки отладки, мы
познакомимся с более сложными составляющими драйвера символьного
устройства, такими как блоковые операции, использование выбора, и
вызовами ioctl. Об этом подробно рассказано в главе 5 "Enhanced Char
Driver Operations".
Перед началом работы по управлению аппаратными средствами, мы
обсудим некоторые элементы программного интерфейса ядра. Глава 6 "Flow
of Time" расскажет об управлении временем в ядре. Глава 7 "Getting Hold
of Memory" объясняет основы динамического распределения памяти в ядре.
Далее, мы сфокусируем внимание на аппаратной части. Глава 8.
"Hardware Management" описывает управление портами ввода вывода и
буферами памяти, которые находятся в устройстве. После этого, в главе 9
“Управление прерываниями” мы познакомимся с управлением прерываниями,
возникающими в аппаратуре. К несчастью, не у каждого будет возможность
запустить примеры кода из этих глав, просто потому, что для работы этих
программ потребуется специальное оборудование. Мы пытались свести к
минимуму требования к тестовому оборудованию, но вам, все таки,
понадобится засучить рукава и взять в руки паяльник для сборки
собственного устройства. Устройство представляет собой простейшую
контактную пару подсоединенную к параллельному порту. Мы надеемся, что
у вас не будет проблем со сборкой такого устройства.
В главе 10 "Judicious Use of Data Types" обсуждаются дополнительные
вопросы, связанные с написанием кода ядра. Например, вопросы связанные
с переносимостью кода под разные платформы.
К следующей части книги, мы приходим уже с большим багажом базовых
знаний. Глава 11 "kmod and Advanced Modularization" вводит нас в
глубинные вопросы модуляризации.
Затем, в главе 12 "Loading Block Drivers" описывается реализация
драйверов для блочных устройств. Там же затрагиваются отличия драйверов
для блочных и символьных устройств. В главе 13 "mmap and DMA"
объясняются вопросы управления памятью, которые, по разным причинам, не
были рассмотрены в предыдущих главах. Будут рассмотрены такие
механизмы, как kiobuf (kernel input-output buffer), mmap (memory
mapping – отображение памяти) и DMA (Direct Memory Access - прямой
доступ к памяти). После ознакомления с этими главами будут исчерпаны
все вопросы, связанные с построением драйверов для символьных и блочных
устройств.
Далее рассматривается третий по важности класс драйверов. В главе
14, “Network Drivers” в деталях рассматривается сетевой интерфейс и
анализируется код простого сетевого драйвера.
Некоторые характеристики драйверов устройств напрямую зависят от
интерфейса шины, на которую они установлены. Так, в главе 15 "Overview
of Peripheral Buses" проведен обзор главных характеристик, наиболее
широко применяемых сегодня, интерфейсных шин. Особое внимание
уделяется, поддерживаемым в ядре, шинам PCI и USB.
Наконец, в главе 16 "Physical Layout of the Kernel Source"
проводится ознакомительный тур по источникам ядра. Эту главу можно
назвать стартовой точкой для всех тех, кто хочет понять общую картину,
но напуган огромным количеством источников кода Linux ядра.
|
LINUX