Linux カーネルデバイスドライバー高度な文字デバイスドライバーのメモ

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 * 高度な文字デバイス ドライバー *********************/

(1)ioctl

ほとんどのドライバーでは、デバイスの読み取りと書き込みに加えて、デバイスドライバーを通じてさまざまな種類のハードウェア制御を実行する機能も必要です。たとえば、メディアの取り出し、ボーレートの変更などです。これらの操作は、同じ名前のシステムコールを実装する ioctl メソッドによってサポートされます。

ユーザー空間では、ioctl システムコールのプロトタイプは次のようになります。

int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);
fd: デバイスファイル記述子を開く
cmd: コマンド
3 番目のパラメータ: コマンドに応じて、整数、ポインタ、またはなしになります。
「...」メソッドはコンパイラエラーを回避するためにのみ使用されます。

ドライバーの ioctl メソッドのプロトタイプは、ユーザー空間バージョンとは少し異なります。

int (*ioctl) (構造体inode *inode,
構造体ファイル *filp、
符号なし整数 cmd、
符号なしロング引数);
inode/filp: ユーザー空間のfdに対応
cmd: ユーザー空間から送信されたcmdに対応します
arg: 渡されたcmdパラメータに対応する

ほとんどの ioctl 実装には、cmd パラメータに基づいて対応する操作を選択するための switch ステートメントが含まれています。ユーザー空間とカーネル空間のコマンド番号は一貫している必要があります。

（２）ioctlコマンド番号を選択する

ioctl コードを書く前に、さまざまなコマンドに対応する番号を選択する必要があります。 Linux ではこのコマンド番号がシステム全体で一意である必要があるため、単純に 0 または 1 から始まる番号を選択することはできません。 Linux カーネルは、ドライバの ioctl 番号を選択するために規則を使用します。include/asm/ioctl.h および Documentation/ioctl-number.txt を参照できます。

ioctl 番号は 32 ビット長です。Linux ではこれを 4 つの部分に分割します。ioctl 番号を構築するために必要なマクロは <linux/ioctl.h> で定義されています。

8 ビットのマジックナンバーを入力します。実際には、ドライバーの番号を選択することです。 ioctl-number.txtを参照してください
8桁の序数。
方向 2 ビット。データ転送の方向を定義します。 _IOC_NONE (データ転送なし)、_IOC_READ|_IOC_WRITE (双方向データ転送) など。この方向はユーザー向けであるため、IOC_READ はデバイスからデータを読み取ることを意味し、ドライバーはユーザー空間にデータを書き込む必要があることに注意してください。
サイズは14ビットです。関係するユーザーデータのサイズ。

<linux/ioctl.h>のマクロを使用してioctl番号を構築することができます。

_IO(タイプ, 番号)
_IOR(タイプ、番号、データ型)
_IOW(タイプ,番号,データ型)

戻り値

システムコールの場合、正の戻り値が最初に保護され、負の値はエラーと見なされ、ユーザー空間でエラー変数を設定するために使用されます。 ioctl メソッドを呼び出すときに未定義の ioctl 番号が渡された場合、システムによって返されるエラー値は -ENVAL および -ENOTTY になります。

（３）ブロッキング操作と非ブロッキング操作

読み取りや書き込みなどの操作の場合、デフォルトの操作はブロッキングであり、その特性は次のとおりです。

*プロセスが read を呼び出しても読み取るデータがない場合、プロセスはブロックする必要があります。データが到着すると、データ量が count パラメータで指定されたデータ量より少ない場合でも、プロセスが起動され、データが呼び出し元に返されます。

*プロセスが write を呼び出してもバッファにスペースがない場合、このプロセスはブロックされ、読み取りプロセスとは異なる待機キューでスリープする必要があります。ハードウェアデバイスにデータが書き込まれ、出力バッファの一部が解放されると、プロセスが起動され、書き込み呼び出しが成功します。

場合によっては、この機能を変更して非ブロッキングにし、デバイスに読み取りまたは書き込みするデータがあるかどうかに関係なく、読み取り/書き込みメソッドがすぐに返されるようにする必要があります。

ファイルを非ブロッキングに設定する場合は、filp->f_flags の O_NONBLOCK フラグを設定する必要があります。非ブロッキングファイルを扱う場合、非ブロッキングの戻りを EOF と間違えやすいため、アプリケーションは stdio 関数を呼び出すときに非常に注意する必要があります。そのため、errno を常にチェックする必要があります。

（4）非同期通知

a. 非同期通知の役割

ほとんどの場合、ブロッキング操作と非ブロッキング操作、および select メソッドの組み合わせにより、デバイスを効果的に照会できますが、この手法が効率的でない場合もあります。特定のランダムな状況やまれにしか発生しない状況 (キーボードで CTRL+C を入力するなど) が発生した場合は、非同期通知が必要になります。

b. ユーザー空間プログラムで非同期通知を開始する方法

ファイルの非同期通知メカニズムを開始するには、ユーザープログラムは次の 2 つの手順を実行する必要があります。

01.デバイスファイルの「所有者」としてプロセスを指定します。プロセスが fcntl システムコールを使用して F_SETOWN コマンドを実行すると、所有者プロセスのプロセス ID が filp->f_owner に保存されます。この手順は、カーネルが誰に通知するかを認識するために必要です。
02. 非同期通知メカニズムを実際に開始するには、ユーザープログラムでデバイス内の FASYNC フラグも設定する必要があります。これは、fchtl コマンド F_SETFL によって実行されます。これら 2 つの手順を実行すると、デバイスファイルは新しいデータが到着したときに SIGIO 信号を要求できるようになります。シグナルは、file->f_owner に格納されているプロセス (負の場合はプロセスグループ) に送信されます。すべてのデバイスが非同期通知をサポートしているわけではなく、アプリケーションでは通常、ソケットと端末のみが非同期通知機能を備えていると想定しています。

（５）ドライバーに非同期通知を実装する方法

a. カーネル内のユーザー空間操作の対応

01. F_SETOWNを設定するときは、file->f_ownerに値を割り当てます。
02. F_SETFLを実行してFASYNCを開始すると、ドライバーのfasyncメソッドが呼び出されます。このメソッドは、filp->f_flags の FASYNC フラグ (ファイルが開かれるとデフォルトでクリアされます) が変更されるたびに呼び出されます。
03. データが到着すると、カーネルは非同期通知に登録されているすべてのプロセスにSIGIO信号を送信します。

b. デバイス構造体にfasync_structポインタを追加する

この構造体は <linux/fs.h> で定義されています:

構造体fasync_struct {
int マジック;
整数fa_fd;
構造体 fasync_struct *fa_next;
構造体ファイル *fa_file;
};

c. ドライバーが呼び出す2つの関数

これら 2 つの関数は <linux/fs.h> で宣言されています。

/fs/fcntl.c で定義されています。

プロトタイプは次のとおりです。

01. int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);
02. void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

開いているファイルの FASYNC フラグが変更されると、関連付けられているプロセスのリストにファイルを追加または削除するために fasync_helper が呼び出され、データが到着すると kill_fasync が関連付けられているすべてのプロセスに通知します。

d. 例

01. デバイスタイプにfasync_struct動的データ構造を定義する

構造体my_pipe{
  struct fasync_struct *async_queue; /* 非同期読み取り構造体*/
......
};

02. ドライバーのfasync関数はfasync_helperを呼び出す

int my_fasync(fasync_file fd、構造体ファイル *filp、int モード)
{
  my_pipe *dev = filp->private_data;
  fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue) を返します。
}

03. 非同期通知条件が満たされたらkill_fasyncを呼び出す

非同期通知は読み取りプロセス用なので、kill_fasync は write を使用して送信する必要があります。

kill_fasync を呼び出して、デバイス上の非同期キュー async_queue に登録されているすべてのプロセスに SIGIO シグナルを送信します。

ssize_t my_write(構造体ファイル*filp、const char *buf、size_t count、
        オフセット(f_pos)
{
......
(dev->async_queue) の場合
    kill_fasync(&dev->async_queue、SIGIO、POLL_IN); 
    ......
}

04. ファイルを閉じるときにfasyncメソッドを呼び出す必要があります

アクティブな非同期リーダーのリストからファイルを削除するには、ファイルを閉じるときに fasync メソッドを呼び出す必要があります。

リリースを呼び出します: scull_p_fasync(-1, filp, 0);

要約する

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