Seminario di approfondimento Sistemi Operativi A.A. 2014/2015

LINUX DEVICE DRIVERSRaffaela D’Aniello - 0124000637Luisa Barbarino - 0124000484Daniele Ioviero – 0124000459Fabio Nisci - 0124000074

Introduzione Uno dei molti vantaggi del Sistema

Operativo Linux è che il suo “interno” è aperto a tutti. Il kernel Linux è un corpo grande e complesso di codice. I drivers di periferica, sono distinte “scatole nere” che fanno sì che un particolare pezzo di hardware risponda ad un interfaccia di programmazione ben definita. Le attività dell’utente sono effettuate tramite una serie di chiamate standardizzate indipendenti dal driver specifico. Quindi i driver possono essere costruiti separatamente dal resto del kernel e "inseriti" a runtime quando necessario.

Ruolo dei dispositivi periferici Forniscono il meccanismo (quali funzionalità devono

essere forniti), non la politica (come possono essere utilizzate quelle capacità).

Esempio: la gestione Unix del display grafico è diviso tra il server X, che conosce l'hardware e offre un'interfaccia unificata per programmi utente, e il gestori di finestre e di sessione, che implementano una particolare politica senza sapere nulla sull'hardware. Gli utenti possono utilizzare lo stesso gestore di finestre su hardware diversi, e viceversa, diversi utenti possono eseguire diverse configurazioni sulla stessa workstation.

Il driver di periferica è uno strato di software che si trova tra le applicazioni e il dispositivo vero e proprio.

Caratteristiche di driver di periferica supportano sia il funzionamento sincrono e

asincrono. hanno la capacità di essere aperti più volte. capacità di sfruttare tutte le funzionalità

dell'hardware. semplice (è la mancanza di strati di software

a "semplificare le cose" o fornire le operazioni legate alla politica.)

Kernel Linux

Classi di dispositivi e moduli Character devices:

- lettura come un flusso di byte (come un file). - accesso per mezzo di nodi del file system.

I dispositivi a blocchi:- trasferimento di dati in blocchi.- esempio: disco.

Le interfacce di rete: - scambia dati sulla rete.

- Un driver di rete non sa nulla di singole connessioni, gestisce solo i pacchetti. USB: il dispositivo stesso si presenta nel sistema come un dispositivo char (una porta seriale USB, per esempio), un dispositivo a blocchi (un lettore di schede di memoria USB), o un dispositivo di rete (un'interfaccia Ethernet USB).

Costruzione ed esecuzione di moduli Il driver di periferica è progettato, caricato,

scaricato come modulo del kernel.

Sviluppo:- sorgente del kernel.- compilazioni.- controllare la distribuzione Linux.

Modulo HelloWord Compilazione

Modulo Kernel VS Applicazione utente Un modulo kernel deve essere inizializzato e terminato adeguatamente.

Non esiste la funzione printf, ma printk. Bisogna includere i file header di Linux. (es. <include/linux>) Bugs nel driver di dispositivo possono causare il crash del

kernel. Un modulo kernel si esegue in area kernel. Nei moduli kernel c’è una maggiore concorrenza:

- Interrupt e ISR- Timer- Supporto SMP

Per cui un driver di dispositivo deve:- Essere rientrante, gestire la concorrenza ed evitare race condition.

Polling VS Interrupt Polling

- Attesa attiva.- Consuma cicli di CPU.- Adatto a I/O con velocità molta.

Interrupt- Asincrono.- Serve in base al flusso dei dati.- Adatto a I/O a velocità lenta.

Gestore delle Interrupt ISR:

- Effettua delle operazioni quando avviene un interrupt dal dispositivo.- Il carico di lavoro dipende dal dispositivo.

Restrizioni: - È eseguito in area kernel quindi non può trasferire dati da/allo spazio utente- Non può far addormentare i processi, non può usare system call come wait_event, bloccare un semaforo/scheduler.

Il ruolo:- Dà feedback al dispositivo sulla recezione di un interrupt. - Scrive/legge dati.- Pulisce l’interrupt bit (flag).- Sveglia processi addormentati sul dispositivo o che aspettano un evento.

I/O Bloccante Cosa succeed se un driver non può soddisfare

immediatamente una richiesta?- Lettura quando non vi sono dati.- Scrittura quando il dispositivo non è pronto a ricevere dati.

Il processo chiamante non si cura di tale problema:- Il programmatore semplicemente invoca read() e write().- Ci si aspetta che tali funzioni ritornino dopo aver effettuato le operazioni designate.

Il driver dovrebbe:- “bloccare” il processo- Metterlo a dormire fino a quando non si può procedure con la richiesta

System Call da un’applicazione utente

Sleeping Cosa vuol dire quando un processo “dorme”?

- Contrassegnato come essere in uno stato speciale.- Rimosso dalla coda di esecuzione dello scheduler.- Non verrà eseguito finchè non accade qualche evento nel prossimo futuro.

Regole dello sleeping:- Mai dormire quando ci si trova in un contesto

atomico (in possesso di un blocco, gli interrupt disabilitati, ecc)

- Non può assumere lo stato del sistema dopo il risveglio (es. la risorsa potrebbe non essere disponibile)

- Assicurarsi alcuni altri processi possono svegliarsi

Wait Queue È una struttura del kernel

- Un elenco di tutti i processi in attesa di uno specifico evento

- Rendere possibile per il vostro processo di sonno da trovare Gestito da “wait queue head”: - Wait_queue_head_t è definita in <linux / wait.h>

- Può essere definita e inizializzata staticamente con DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (nome);

- O dinamicamente: wait_queue_head_t nome_coda e init_waitqueue_head (& nome_coda);

System Call Select/ Poll La chiamata di sistema select / poll:

- Consente all'applicazione utente di attendere la ricezione di dati su uno o più descrittori di file.

- Chiamata f_ops-> poll metodo di tutti i descrittori di file.

- Ogni poll-> metodo deve restituire se i dati sono disponibili o meno.

- Se nessun descrittore di file ha i dati disponibili, la chiamata poll / select deve

attendere i dati su tali descrittori di file.

- Si deve sapere tutto sulle code di attesa che potrebbero essere utilizzati per segnalare nuovi dati

Select/Poll da un’applicazione utente

Costruiamo un driver Il driver che costruiremo nelle prossime slides

appartiene alla classe dei character devices. Il dispositivo implementa la lettura/scrittura di un

carattere. Questo dispositivo, anche non essendo molto utile ai

fini pratici, fornisce un valido esempio sul funzionamento completo di un driver.

È semplice da implementare, in quanto non si interfaccia a nessun dispositivo hardware reale (oltre che al computer stesso).

Source Code

Source Code

Grazie per l’attenzione

Credits:Linux Device Drivers, Third Edition

di Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, and Greg Kroah-HartmanLinux Device Drivers Lectures

di Yan Luo