리눅스 디바이스 드라이버 개요

1. Linux Device Driver 리눅스 디바이스드라이버 개요

2. Device Driver • 디바이스 드라이버의 정의 • 정의 • 디바이스의 정의 LCD, USB, Ethernet, CF, AUDIO 등과 같이 스스템 이외의 주변장치들을 의미 • 드라이버의 정의 하드웨어 장치를 제어하고 관리하는 방법의 컴퓨터 시스템 • 디바이스 드라이버의 정의 • 물리적인 하드웨어 장치를 다루고 관리하는 소프트웨어로 커널의 일부분 • 리눅스에서는 모든 장치를 파일로 관리하며 해당 장치는 주번호와부번호로 구분 • 표준화된 호출 방법을 이용하여 디바이스와 어플리케이션간의 정보를 주고 받을 수 있도록 함 (system call) • 디바이스드라이버와 커널 • 리눅스는 어플리케이션 영역과 커널영역의 구분이 있다. • 어플리케이션은 어플리케이션 영역에서만 구동됨 • 제어해야할 디바이스는 커널이 관리하고 있으므로 커널 영역을 통해야 사용이 가능 • 어플리케이션 영역에서 커널 영역의 드라이버를 이용하려면 시스템 콜을 발생시켜야 함. • 어플리케이션 영역과 커널영역은 독립적인 메모리 공간을 이용 copy_from_user,copy_to_user등과 같은 시스템 함수를 통해 데이터를 전달

3. Device Driver • 디바이스드라이버의 종류 • 문자 디바이스 드라이버 • 일반적인 하드웨어 제어에 이용 • 작고 빈번한 데이터의 송수신에 이용됨 • GPIO, PWM, i2C와 같은 장치를 이용하는 디바이스 • 블록 디바이스 드라이버 • 한번에 많은 데이터를 송수신 하는 디바이스 • 데이터 통신을 위해서 버퍼를 이용함 • HDD, Optical Disc와 같이 통상적으로 저장 장치들이 해당 • 네트워크 디바이스 드라이버 • 네트워크와 관련된 장치들을 제어 • 일반적인 장치들과는 다르게 네트워크 서브 시스템을 통해서 실제 장치와 연결 • 어플리케이션에서 하드웨어 제어를 위한 전체 구조

4. Device Driver • 커널 모듈 • 리눅스는모놀리틱커널 이지만 마이크로 커널의 장점인 모듈 기능을 가지고 있다 • 모듈은 리눅스 시스템이 부팅 된 이후에 동적으로 load 및 unload 할 수 있는 커널의 요소 • 모듈을 이용하면 커널 요소의 일부분을 별도의 컴파일 없이 교체할 수 있다 • 커널은 의존성이라는 특성이 있으며, 커널의 버전 정보등은컴파일된 모듈에 삽입된다. • 리눅스커널 모듈에 대한 정보는 커널소스/include/linux/module.h에 정의되어 있다.

5. Device Driver • 커널 링크 • 해당 모듈을 커널에 등록하려면 insmod명령을 제거하려면 rmmod명령을 이용 • Insmod를 이용해서 모듈을 올리면 버전검사를 하게 된다. • 드라이버는 main 함수가 존재하지 않는다. • 거널에 등록하기 위한 별도의 함수가 존재한다. • intinit_module : insmod를 호출하여 커널에 모듈을 등록할 때 호출 • void cleanup_module : 커널에서 모듈을 제거할 때 호출 • 커널에 모듈이 링크되는 개념도

6. Device Driver • 모듈 관련 명령

7. Device Driver • Character Device Driver • 문자디바이스는 바이트 스트림 형태로 참조 • open, close, read, write 시스템 호출을 구현 ex) /dev/console, /dev/ttySn • 문자디바이스와 일반파일의 사용상 차이점 • 파일 : 파일의 시작과 끝 사이의 위치에 임으로 접근이 가능 • 디바이스 : 일반적으로 순차적으로 참조함 (메모리를 참조하는 드라이버의 경우 파일과 유사한 조작이 가능 ex, framebuffer)

8. Device Driver • 문자디바이스의노드를 만드는 방법 • 디바이스를 커널에 등록 및 해제 하는 함수 (커널 소스/include/linux/fs.h) • extern intregister_chrdev(unsigned int, const char *, structfile_operations *) • extern intunregister_chrdev(unsigned int, const char *) • 파일의 연산과 관련된 함수 • loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int) 장치에서 데이터를 읽거나 쓰는 경우 이용 • ssize_t (*read, *write) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); 장치에서 데이터를 읽는 경우에 이용

9. Device Driver • unsigned int (*poll) (struct file *, structpoll_table_struct *); 현재 실행중인 프로세스를 대기 queue에 넣음 • int (*ioctl) (structinode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); 디바이스에 종속적인 함수나 프로그래머의 임의의 커맨드를 만듦. • int (*mmap) (struct file *, structvm_area_struct *); 디바이스의 메모리를 응용 프로세스의 메모리에 매핑 • int (*open) (structinode *, struct file *); 디바이스를 열고자 할때 이용 • int (*release) (structinode *, struct file *); 디바이스를 닫을 때 이용 • BlockDevice Driver • 문자디바이스와 마찬가지로 /dev/ 디렉터리의 노드를 통해 접근 • 파일 시스템을 수용할 수 있는 디바이스 드라이버 • 응용 프로그램이 블록 디바이스를 문자 디바이스 처럼 사용할 수 있음 • 한번에 전송할 데이터의 크기의 제한이 없음 • 버퍼 캐시를 통하여 랜덤 액세스가 가능 • 문자디바이스와의 차이는 드라이버 소프트웨어 인터페이스에서만 차이가 남 • 문자디바이스와 별개로 관리되므로 문자디바이스와 동일한 주번호 및 부번호 이용가능 • 문자 디바이스 드라이버의 등록과 해제에 이용되는 함수

10. Device Driver • extern intregister_blkdev(unsigned int, const char *, structblock_device_operations*); • extern intunregister_blkdev(unsigned int, const char *); • 블록 디바이스의 파일 연산 • Read, write, fsync함수는 별도로 구현하지 않고 제공되는 함수를 이용 • Open과 release는 문자 디바이스 드라이버 처럼 구현 • Ioctl은 많은 장치들이 사용할 것이라 예상하는 공통적인 커맨드를 지원

11. Device Driver • Floppy 드라이버의 예시 • 버퍼 캐시의 상태 블록 디바이스는 버퍼 캐시를 이용하여 데이터를 주고 받는다

12. Device Driver • 네트워크디바이스 • 모든 네트워크 트랜잭션은 다른 호스트와 데이터를 교환해주는 디바이스를 거침 • 네트워크 디바이스의 데이터 패킷 전송은 커널에 포함된 네트워크 서브시스템에 의한다. • 네트워크 인터페이스는 스트림 형태의 디바이스가 아니라 스페셜 파일이 생성되지 않는다 ( lo, eth, wlan0 등과 같은 고유한 이름을 할당 받아 참조하지만, 파일 시스템에 포함되진 않음) • 어플리케이션에서 read나 write 함수를 이용하는 경우 드라이버 상의 fos의 read,write가 아닌 패킷 전송에 관련된 함수를 호출하여 처리한다 • Achro4210에서 이용되는 문자 드라이버 소개 • Framebuffer • Linux 시스템에서 그래픽을 표현할 수 있는 하드웨어 • Framebuffer는 LCD에 표시할 정보를 저장해놓는 버퍼 • LCD 컨트롤러는 DMA를 이용하여 Framebuffer의 내용을 주기적으로 LCD로 보냄

13. Device Driver • 리눅스에서 연결하는 디바이스 노드 • SD/MMC (rivers/mmc/core/, drivers/mmc/host) • SD Host controller • Achro-4210에서 SD interface를 제공함 • WiFi등과 같은 SD인터페이스를 이용하는 다양한 장비를 사용할 수 있음 • 일반적으로 MMC등과 같은 메모리를 연결하여 사용 • 리눅스에서 연결하는 디바이스 노드(일반적인 상황) • Audio • Audio Subsystem을 포함 • 오디오 하드웨어 코덱에 따라 다 채널의 I2S 인터페이스를 지원 • 칩 컨트롤은 I2C 통신을 통하고, 데이터는 I2S로 처리

14. Device Driver • 오디오 관련 소스 • arch/arm/plat-s5p/dev-audio.c, • Driver/sound 관련 전체에 전반적으로 존재 • 코덱은ound/soc/codecs에 위치 • 오디오와 관련된 디바이스 노드(기본적인 노드) • 터치 스크린 인터페이스 • 터치 스크린은 임베디드 디바이스에서 주로 사용되는 입력 장치이다. • 일반적으로 감압식과정전식으로 크게 나눌 수 있다. • 감압식은 터치 위의 패널을 눌러서 발생되는 저항값을 통해 포인팅 함 • 정전식은 화면에 누른 사람이나 물체에 흐르는 미세한 전류를 이용하여 포인팅 함 • Achro-4210의 경우 I2C를 이용하여 장치와 통신을 함.

15. Device Driver • 터치 관련된 디바이스 노드(일반적인 노드) 터치와 관련된 노드는 해당 드라이버를 설정할 때의 위치에 따라 이름과 장치가 변경됨 • UART • 일반적으로시리얼 통신을 할 수 있는 포트를 의미한다. • Achro-4210에서 외부와 통신할 수 있는 UART는 2개이며, 한 포트는 디버그 포트로 이용 • UART로 설정하여 사용할 때에는 /dev/ttyS로시작하는 노드를 갖게 된다. • UART 관련된 디바이스 노드

16. Device Driver • Ioremap과 mmap() • Mmap()은 응용프로그램의 가상 주소에 커널의 해당 디바이스의 메모리 영역을 매핑 • 장점 : 매핑된 이후로 시스템 콜을 사용하지 않고 해당 장치의 메모리 영역을 이용 (커널 영역에서 발생하는 많은 시간적 비용이 줄어들어 빠른 처리가 가능) • 단점 : 매핑할 메모리 공간이 많이 필요한 다수의 장치를 모두 이용하는데 여러 고려사항 필요 • Ioremap() 커널의 가상 주소에 디바이스의 메모리 영역을 매핑 • 장점 : 크지 않은 메모리 크기에 대해서 할당 받아 사용이 가능 (메모리를 할당 받기 위해서 전 처리 해야 되는 부분이 쉬움) • 단점 : 프로그램이 지속적인 참조를 할 경우 반복되는 시간만큼 커널내 처리시간이 늘어남

17. Device Driver • Iormap과 mmap의 동일 하드웨어 제어 코드 비교 예시 // ioremap – kernel module … 생략 … #include <linux/ioport.h> #define IOM_LED_MAJOR 246 // led device major number #define IOM_LED_NAME “led_driver” // led device name #define IOM_LED_ADDRESS 0xA8000000 // physical address structfile_operationsiom_led_fops = { open: iom_led_open, write: iom_led_write, release: iom_led_release, }; ssize_tiom_led_write(struct file *inode, const char *gdata, size_t length, loff_t *off_what) { unsigned short value; constchar *tmp = gdata; if (copy_from_user(&value, tmp, 2)) return -EFAULT; outw(value,(unsigned int)iom_led_addr); return length; } int __initiom_led_init(void) { int result = register_chrdev(IOM_LED_MAJOR, IOM_LED_NAME, &iom_led_fops); … iom_led_addr= ioremap(IOM_LED_ADDRESS, 0x2); return 0; } void __exit iom_led_exit(void) { iounmap(iom_led_addr); unregister_chrdev(IOM_LED_MAJOR, IOM_LED_NAME); } module_init(iom_led_init); module_exit(iom_led_exit); // mmap.c – linux application … 생략 … #include <sys/mman.h> /* 페이지 크기(4096)의 정수배 */ #define MAP_SIZE 0x1000/* led의 physical address */ #define MAP_PHYS 0xA8000000 #define LED(*((volatile unsigned short *)(map_base + 0))) void *map_base; int main (intargc, char *argv[]) { intfd= open( "/dev/led_driver", O_RDWR | O_SYNC ); … map_base = mmap( NULL, MAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, MAP_PHYS ); if (map_base == MAP_FAILED) { perror("mmap()"); exit(2); } … /* 할당받았던매핑 영역을 해제한다. */ if (munmap(map_base, MAP_SIZE) == -1) { perror("munmap()"); exit(3); } close(fd); return 0; }

18. Device Driver • 전체 수행 구조 비교 ioremap은 커널에 모듈로 등록이 되므로 해당 모듈을 참조하여 값을 전송하는 어플리케이션이 필요 • mmap으로 애플리케이션에서 매핑한 경우 시스템 콜 없이 디바이슬 제어할 수 있다. • ioremap으로 드라이버를 만든후 하드웨어를 제어할 경우 시스템 콜을 이용한다.