מערכות הפעלה תרגול 10 – מבוא למנהלי התקנים ב-Linux Linux Device Drivers, 2 nd Edition Alessandro Rubini & Jonathan Corbet O’Reilly

מערכות הפעלה - תרגול 102 (c) אריק פרידמן 2006 תוכן התרגול מבוא למנהלי התקנים ומודולים ב-Linux כתיבה והרצה של מודולים התקני תווים

מערכות הפעלה - תרגול 103 (c) אריק פרידמן 2006 מה זה מנהל התקן? שכבת תוכנה החוצצת בין החומרה לבין האפליקציה  מנהל ההתקן מחביא את הפרטים הנוגעים לפעולת החומרה  המשתמש מבצע פעולות באמצעות אוסף פונקציות סטנדרטי שאינו תלוי בהתקן מסוים  תפקיד מנהל ההתקן למפות את הפונקציות הסטנדרטיות לפעולות המבוצעות על התקן החומרה גישה מודולרית - ניתן לבנות מנהל התקן בנפרד משאר הגרעין, ואז "לחבר" אותו בזמן ריצה, בשעת הצורך

מערכות הפעלה - תרגול 104 (c) אריק פרידמן 2006 מודולים ב-Linux ל-Linux יש יכולת להרחיב בזמן ריצה את אוסף הפעולות שמספק הגרעין קטע קוד שניתן להוסיף לגרעין בזמן ריצה נקרא מודול  ספריה משותפת הנטענת (מקושרת בזמן ריצה) לגרעין רק משתמשים מורשים יכולים לטעון מודולים ישנה חלוקה של מודולים לפי התפקודיות שהם מספקים:  התקני תווים  התקני בלוקים  ממשקי רשת  ועוד (USB, SCSI,...)

מערכות הפעלה - תרגול 105 (c) אריק פרידמן 2006 התקני תווים ובלוקים התקן תווים - התקן שניגשים אליו כאל רצף של בתים (כמו קובץ)  מסוף, פורט סדרתי  בדרך כלל ניתן לגשת להתקן תווים רק באופן סדרתי התקני בלוקים - התקן שניתן לתקשר איתו רק בכפולות של בלוק (למשל KByte)  בפועל Linux מאפשרת לקרוא מהתקני בלוקים גם בתים בודדים  משמשים, בין השאר, לייצג מערכות קבצים ניתן לגשת להתקנים אלו דרך מערכת הקבצים (/dev)

מערכות הפעלה - תרגול 106 (c) אריק פרידמן 2006 ממשקי רשת התקנים המסוגלים להחליף מידע עם מחשבים אחרים באחריותם לשלוח ולקבל חבילות מידע אינם מיוצגים במערכת הקבצים  ישנן קריאות מערכת ייחודיות לטיפול בממשקי רשת

מערכות הפעלה - תרגול 107 (c) אריק פרידמן 2006 ענייני אבטחה מודול רץ ב-kernel mode  גישה למבני הנתונים בגרעין חשוב להימנע מחורי אבטחה במודול  למשל buffer overrun בתכנות ב-c הקפדה על אתחול משתנים יש להתייחס לקלט משתמש בחשדנות במידת הצורך, הגבלת השימוש במודול למשתמשים מורשים

מערכות הפעלה - תרגול 108 (c) אריק פרידמן 2006 מודול ראשון #include #include /* for using printk */ MODULE_LICENSE(“GPL”); int init_module(void) { printk(“Hello, World\n”); return 0; } void cleanup_module(void) { printk(“Goodbye cruel world\n”); }

מערכות הפעלה - תרגול 109 (c) אריק פרידמן 2006 הפעלת המודול קובץ makefile לדוגמה: KERNELDIR = /usr/src/linux custom include $(KERNELDIR)/.config CFLAGS = -D__KERNEL__ -DMODULE –I$(KERNELDIR)/include –O -Wall all: hello.o הרצה: > make > insmod./hello.o Hello, world > rmmod hello GoodBye cruel world >

מערכות הפעלה - תרגול 1010 (c) אריק פרידמן 2006 העברת פרמטרים למודול בעת טעינת המודול, ניתן להעביר אליו פרמטרים הנוגעים לקונפיגורציה של המודול סוגי פרמטרים נתמכים:  b – byte, h – short, i – integer, l – long, s – string  ניתן להעביר גם מערך של פרמטרים בקוד המודול מגדירים את המשתנים שיקבלו את הפרמטרים באמצעות המאקרו MODULE_PARM  המאקרו צריך להופיע מחוץ לפונקציה. בד"כ ממוקם בתחילת המודול  פרמטר ראשון – משתנה הפרמטר, פרמטר שני – סוג הפרמטר  יש להגדיר לכל פרמטר ערך ברירת מחדל ניתן להשתמש במאקרו MODULE_PARM_DESC כדי להוסיף תיאור לפרמטר  כלי ניהול אוטומטיים יכולים לקרוא את התיאור (אפשר גם עם modinfo)

מערכות הפעלה - תרגול 1011 (c) אריק פרידמן 2006 העברת פרמטרים למודול (2) הגדרת הפרמטרים במודול (params.c, למשל): int iValue=0; char *strValue; int iArray[4]; MODULE_PARM(iValue,”i”); MODULE_PARM(strValue,”s”); MODULE_PARM(iArray,”4i”); העברת פרמטרים בטעינת המודול: > insmod./params.o iValue=3 sValue=“hello” iArray=1,2,3,4

מערכות הפעלה - תרגול 1012 (c) אריק פרידמן 2006 גישה לנתוני גרעין למודול יש גישה למבני הנתונים של הגרעין  ישנם חלקים בגרעין הזמינים רק אחרי הוספת #define __KERNEL__ מופיע ב-makefile  צריך להוסיף #include לקבצים המתאימים … #include int init_module(void) { printk(“The process is \”%s\” (pid %i)\n”, current->comm, current->pid); return 0; } …

מערכות הפעלה - תרגול 1013 (c) אריק פרידמן 2006 התקני תווים - איך זה עובד? המודולגרעין Linux insmod rmmod init_module() cleanup_module() register_chrdev() unregister_chrdev() chrdevs[] fops אוסף פונקציות אחרות בגרעין קריאה לפונקציה פעולת השמה מצביע לפונקציה מצביע לנתונים

מערכות הפעלה - תרגול 1014 (c) אריק פרידמן 2006 התקני תווים  להתקני תווים ניגשים דרך שמות המופיעים במערכת הקבצים בדרך כלל ממוקמים במדריך /dev כאשר מבצעים ls –l, התקני תווים מאופיינים בתו c בעמודה הראשונה  התקן תווים מאופיין ע"י שני מספרים: מספר ראשי (major number) - מזהה את מנהל ההתקן המקושר להתקן מספר משני (minor number) – מספר שמשמש את מנהל ההתקן כדי להבחין בין התקנים שונים המחוברים אליו crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Aug null crw root root 10, 1 May psaux crw root tty 4, 1 May 12 10:33 tty1 crw-rw-rw- 1 root root 1, 5 Aug zero

מערכות הפעלה - תרגול 1015 (c) אריק פרידמן 2006 הוספת מנהל התקן חדש כדי ליצור מנהל התקן חדש, יש להקצות לו מספר ראשי חדש  מבוצע ע"י הפונקציה register_chrdev(), המוגדרת ב-  ההקצאה מבוצעת במסגרת אתחול מנהל ההתקן (init_module()) תחביר: int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops); פרמטרים:  major – המספר הראשי אותו רוצים להקצות למנהל ההתקן  name – שם ההתקן, כפי שיופיע ב-/proc/devices  fops – מערך של מצביעי פונקציות, המממשים את פעולת ההתקן. נרחיב עליו בהמשך ערך מוחזר: במקרה של הצלחה יוחזר ערך 0 או חיובי, אחרת -1.

מערכות הפעלה - תרגול 1016 (c) אריק פרידמן 2006 בחירת מספר ראשי גרסה 2.4 של Linux תומכת ב-256 מספרים ראשיים  המספרים 0 ו-255 שמורים לשימוש עתידי חלק מהמספרים הראשיים מוקצים באופן סטטי להתקנים נפוצים הקצאה סטטית של מספרים ראשיים עבור כל התקן יכולה להיות בעייתית  התנגשות בין מספרים ראשיים של התקנים שונים ניתן לבצע הקצאה דינמית של מספר ראשי ע"י העברת ערך 0 עבור הפרמטר major  מערכת ההפעלה בוחרת מספר פנוי ומחזירה אותו כתוצאה של register_chrdev() במקרה של הקצאה סטטית ערך החזרה יהיה 0  ניתן לראות את המספר שהוקצה גם ב-/proc/devices

מערכות הפעלה - תרגול 1017 (c) אריק פרידמן 2006 הסרת מנהל התקן מהמערכת כאשר מסירים מנהל התקן, יש לשחרר את המספר הראשי שהוקצה לו, באמצעות הפונקציה unregister_chrdev(), המוגדרת ב- תחביר: int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name); פרמטרים:  major – המספר הראשי של מנהל ההתקן אותו רוצים להסיר  name – שם ההתקן, כפי שמופיע ב-/proc/devices ערך מוחזר: במקרה של הצלחה יוחזר ערך 0 או חיובי, אחרת -1.

מערכות הפעלה - תרגול 1018 (c) אריק פרידמן 2006 יצירת התקן חדש הקריאה ל-register_chrdev רק מקשרת בין מנהל התקן לבין מספר ראשי כדי לעבוד עם ההתקן, יש ליצור קובץ חדש שייצג אותו, באמצעות הפקודה mknod (דורש הרשאות superuser) תחביר: mknod NAME TYPE MAJOR MINOR פרמטרים:  NAME – שם הקובץ החדש (שייצג את ההתקן)  TYPE – סוג ההתקן (c – התקן תווים, b – התקן בלוקים)  MAJOR– המספר הראשי של ההתקן (למעשה קובע את מנהל ההתקן)  MINOR– המספר המשני של ההתקן (מספר בין 0 ל-255) ניתן להסיר התקן באופן דומה למחיקת קובץ (rm)

מערכות הפעלה - תרגול 1019 (c) אריק פרידמן 2006 זיהוי התקן ע"י מנהל ההתקן קבצים מיוצגים ע"י מבנה נתונים בשם inode (פרטים נוספים בתרגול על מערכות קבצים).  בפרט, גם להתקן תווים יש inode המייצג אותו. בכל פעם שמבצעים פעולה על התקן, מנהל ההתקן מקבל כפרמטר את ה-inode המתאים. השדה i_rdev ב-inode מכיל את המספר הראשי והמשני של ההתקן.  המאקרו MAJOR(inode->i_rdev) מחזיר את המספר הראשי  המאקרו MINOR(inode->i_rdev) מחזיר את המספר המשני

מערכות הפעלה - תרגול 1020 (c) אריק פרידמן 2006 פעולות על התקן מערכת ההפעלה מגדירה אוסף פעולות שניתן לבצע על קבצים  בפרט זהו גם אוסף הפעולות שניתן לבצע על התקן תווים  ניתן להפעיל את הפעולות באמצעות קריאות מערכת מבנה הנתונים file_operations הוא מערך של מצביעי הפונקציות המממשות את אותן הפעולות  מוגדר ב-  משתנה המצביע למבנה הנ"ל מכונה בד"כ fops או f_op  מצביע NULL מייצג פונקציה לא ממומשת, או מימוש ברירת מחדל גישה מונחית אובייקטים  הקובץ הוא האובייקט  המתודות של האובייקט מוגדרות ע"י אוסף הפונקציות ב-fops

מערכות הפעלה - תרגול 1021 (c) אריק פרידמן 2006 שדות חשובים ב-file operations int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); struct module *owner;

מערכות הפעלה - תרגול 1022 (c) אריק פרידמן 2006 אתחול file operations לצורך תאימות גדולה יותר בין גרסאות שונות, הוגדר תחביר מיוחד לאתחול: אתחול עם תוויות ("tagged” initialization)  הרחבה יחודית למהדר של GNU struct file_operations my_fops = {. llseek=my_llseek,. read=my_read,. write=my_write, … }; אתחול שדה owner נעשה ע"י המאקרו הבא ב-init_module: SET_MODULE_OWNER(&fops);

מערכות הפעלה - תרגול 1023 (c) אריק פרידמן 2006 איפה אנחנו עומדים בינתיים crw-r--r-- 1 root root 254, 0 May /dev/mycdev0 crw-r--r-- 1 root root 254, 1 May /dev/mycdev1 major numberminor number mycdev קבצי התקן: מנהל התקן: open release read write … owner fops

מערכות הפעלה - תרגול 1024 (c) אריק פרידמן 2006 פתיחת התקן כאשר פותחים התקן (קריאת המערכת open), בין השאר מערכת ההפעלה מבצעת את הפעולות הבאות:  מאתחלת מבנה נתונים מסוג struct file מבנה נתונים זה מייצג קובץ/התקן פתוח משתנה המצביע למבנה הנ"ל מכונה בד"כ file או filp כל הקריאות שהמשתמש מבצע על file descriptor מסויים, יועברו למנהל ההתקן עם אותו struct file  במידה והפונקציה open אותחלה עבור מנהל ההתקן, מערכת ההפעלה קוראת לה ומעבירה את מבנה הנתונים כפרמטר

מערכות הפעלה - תרגול 1025 (c) אריק פרידמן 2006 שדות חשובים ב-struct file mode_t f_mode; /* (FMODE_READ, FMODE_WRITE) */ loff_t f_pos; unsigned int f_flags; /* (O_RDONLY, O_NONBLOCK,…, see ) */ struct file_operations *f_op; void *private_data;

מערכות הפעלה - תרגול 1026 (c) אריק פרידמן 2006 פתיחת התקן (2) הפונקציה open של מנהל ההתקן אחראית ל:  הגדלת מונה השימוש של מנהל ההתקן (מתבצע אוטומטית בגרסאות 2.4 ומעלה)  לבדוק שההתקן תקין (אין בעיות חומרה)  לאתחל את ההתקן, אם זו הפעם הראשונה שפותחים אותו  לזהות את המספר המשני, לעדכן את f_op אם צריך  לאתחל מבני נתונים ב-filp->private_data

מערכות הפעלה - תרגול 1027 (c) אריק פרידמן 2006 סגירת התקן הפונקציה release של מנהל ההתקן אחראית ל:  הקטנת מונה השימוש של מנהל ההתקן (מתבצע אוטומטית בגרסאות 2.4 ומעלה)  שחרור מבני נתונים ב-filp->private_data, אם צריך פעולת סגירה מתבצעת גם אם האפליקציה לא סגרה קבצים פתוחים באופן מפורש  כאשר תהליך מבצע exit מערכת ההפעלה תפעיל את קריאת המערכת close עבור כל קובץ פתוח.

מערכות הפעלה - תרגול 1028 (c) אריק פרידמן 2006 הפונקציות read ו-write תחביר: ssize_t read(struct file *filp, char *buff, size_t count, loff_t *offp); ssize_t write(struct file *filp, const char *buff, size_t count, loff_t *offp); פרמטרים:  filp – מבנה הנתונים המייצג את הקובץ (ההתקן) הפתוח  buff – חוצץ באזור הזכרון של המשתמש (מקור לקריאה/יעד לכתיבה)  count – מספר הבתים שיש לקרוא/לכתוב  offp – מצביע המייצג את המיקום שאליו המשתמש ניגש בקובץ ערך מוחזר: במקרה של הצלחה יוחזר מספר הבתים שהועתקו, אחרת ערך שלילי. הפרמטר offp מעודכן כדי לבטא את המיקום החדש בקובץ

מערכות הפעלה - תרגול 1029 (c) אריק פרידמן 2006 הפונקציות read ו-write (2) ברוב המקרים נדרש להעתיק מידע בין אזור הזכרון של המשתמש ואזור הזכרון של הגרעין. לרוב מתבצע באמצעות: unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long count); unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long count);  מוגדרות ב- הפונקציות מוודאות כי הגישה מתבצעת לאזורים חוקיים בזכרון  במידה ולא, לא מתבצעת כל העתקה  בכל מקרה, מוחזר מספר הבתים שנותרו להעתקה (0 אם ההעתקה הצליחה) ניתן להקצות ולשחרר זכרון בגרעין באמצעות kmalloc ו-kfree  זהות ל-malloc ו-free, למעט פרמטר נוסף של kmalloc (GFP_USER, GFP_KERNEL)

מערכות הפעלה - תרגול 1030 (c) אריק פרידמן 2006 הפונקציה ioctl מטרתה לאפשר פקודות בקרה ייחודיות להתקן  יש להשתמש באפשרות זאת רק אם לא ניתן לספק מענה הולם במסגרת הפונקציות הקיימות תחביר: int (*ioctl)(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg); פרמטרים:  inode – אובייקט ה-inode המייצג את הקובץ  filp – מבנה הנתונים המייצג את הקובץ הפתוח  cmd – מספר סידורי של פקודה (על מנת לתמוך במספר פקודות בקרה) בדרך כלל משתמשים בקובץ header כדי להגדיר שמות לפקודות  arg – פרמטר כללי אופציונלי (אם המשתמש לא מעביר אותו, יהיה ערך זבל) ערך מוחזר: תלוי בכותב מנהל ההתקן (שגיאה – ערך שלילי) בדרך כלל לפונקציה יהיה מבנה switch, בהתאם לפרמטר cmd

מערכות הפעלה - תרגול 1031 (c) אריק פרידמן 2006 הפונקציה ioctl (2) בצד המשתמש, לקריאת המערכת ioctl יש מבנה ייחודי תחביר: int ioctl(int fd,int cmd,…); פרמטרים:  fd – מתאר קובץ (שהתקבל כתוצאה של open)  cmd – מספר סידורי של פקודה (יועבר כמו שהוא לפונקציה המממשת)  … – נועד למנוע בדיקה של המהדר על הפרמטר האופציונלי בדרך כלל מתייחסים לפרמטר האופציונלי כ-char *argp ערך מוחזר: תלוי בכותב מנהל ההתקן (שגיאה – ערך -1)

מערכות הפעלה - תרגול 1032 (c) אריק פרידמן 2006 הפונקציה ioctl (3) עדיף שהתקנים שונים יגדירו קבועים שונים עבור הפרמטר cmd  התקנים שונים עושים שימוש באותם מספרים - פתח לתקלות מוסכמה לקביעת המספרים על סמך ארבעה פרמטרים  type – מספר "קסם", רצוי ייחודי להתקן (8 ביטים) הנחיות לבחירת המספר: Documentation/ioctl-number.txt  number – מספר סידורי (8 ביטים)  direction – כיוון העברת המידע (מנקודת המבט של המשתמש) _IOC_NONE, _IOC_READ, _IOC_WRITE, _IOC_READ | _IOC_WRITE  size – גודל מידע המשתמש המעורב בהעברה (8-14 ביטים) הקובץ מגדיר פונקציות מאקרו לקביעת המספרים  ישנה פקודת מאקרו לכל כיוון (direction) של העברה: _IO(type,nr), _IOR(type,nr,dataitem) _IOW(type,nr,dataitem), _IOWR(type,nr,dataitem)

מערכות הפעלה - תרגול 1033 (c) אריק פרידמן 2006 הפונקציה ioctl (4) דוגמה: #define MYDEV_IOC_MAGIC ‘o’ #DEFINE MYDEV_IORESET _IO(MYDEV_IOC_MAGIC,0) #DEFINE MYDEV_SETMODE _IOW(MYDEV_IOC_MAGIC,1,char) #DEFINE MYDEV_GETMODE _IOR(MYDEV_IOC_MAGIC,2,char)