Безопасное распределение ресурсов в драйверах
устройств ввода-вывода через отображаемую
память.
Автор: Dr B
Thangaraju
Перевод: Андрей Киселев
Драйвер устройства (или просто драйвер) -- это программа,
обеспечивающая доступ к устройству. Разработка драйверов гораздо более сложная
задача, чем написание обычных приложений. Поскольку любой динамически
подгружаемый модуль драйвера присоединяется к ядру, малейшая ошибка в драйвере
может вызвать крах системы. Распределение ресурсов -- одна из важнейших
составляющих успеха для разработчиков драйверов. Ресурсы устройства -- это
память для буферов ввода-вывода, векторы прерываний и порты ввода-вывода. Здесь
будут рассмотрены способы безопасного распределения ресурсов для динамически
загружаемых драйверов устройств в Linux.
Введение
В быстро развивающемся мире Информационных Технологий,
постоянно появляются новые устройства и их разнообразие просто поражает. Доступ
к периферии (жесткие диски, CD-ROM, терминалы, принтеры, сетевые адаптеры и пр.)
осуществляется через подсистему ввода-вывода. Модули ядра, управляющие
устройствами, называются "драйверы устройств". Подсистема ввода-вывода отвечает
за перемещение данных между устройством и памятью. Все устройства ввода-вывода
подразделяются на блочные и символьные, в зависимости от типа доступа. К
символьным можно отнести клавиатуру, мышь, консоль и модем. Обмен с ними
выглядит как поток байтов (символов). Блочные устройства (жесткие диски, CD-ROM
и др.) передают и принимают данные целыми блоками.
Ядро взаимодействует с устройствами через соответствующие
драйверы. Драйвер устройства -- это набор функций, используемых для его
обслуживания. Одно из важнейших свойств Linux -- возможность динамической
загрузки драйверов. При такой организации модуль драйвера становится частью ядра
и может свободно обращаться к его функциям. Кроме того, динамически загруженный
драйвер может быть так же динамически выгружен. Если драйвер не выгружен явным
образом, то он остается в системе постоянно -- до следующей перезагрузки.
Как правило, работа драйвера заключается в передаче данных
между компьютером и дополнительными устройствами. Ими могут быть устройства
дополнительной памяти (например, Flash-модули прим. перев.), устройства
связи, терминалы и т.п.. Возможны три варианта обработки ввода-вывода: PIO
(PIO от англ. Programmed Input/Output -- режим программного ввода/вывода,
когда вводом/выводом занимается процессор, что отнимает какую-то часть
процессорного времени прим. перев.), ввод-вывод по прерываниям и DMA
(DMA -- от англ. Direct Memory Access -- способ обмена данными между внешним
устройством и памятью без участия процессора, что может заметно снизить на него
нагрузку и повысить общую производительность системы прим. перев.).
Передача данных между системой и устройствами может осуществляться двумя
способами: через порты ввода-вывода и через отображаемую память. В этой статье
обсуждаются основные положения организации ввода-вывода через отображаемую
память и макроопределения, используемые при написании драйверов, для
распределения областей памяти (идущие с примерами хорошо отлаженного кода).
Поскольку драйвер является частью ядра, любая попытка вторгнуться в уже занятые
адреса памяти приведет к краху системы. Таким образом, драйвер должен сначала
проверить свободен ли заданный диапазон адресов и если нет, то вернуть
управление системе с кодом ошибки. В противном случае этот диапазон
резервируется за данным устройством.
Основы устройств ввода-вывода через отображаемую память
Драйверы накрепко связаны с аппаратурой обслуживаемого
устройства. Они принимают на себя всю ответственность по взаимодействию CPU
(CPU от англ. Central Processor Unit - Устройство Центрального Процессора,
для архитектуры PC равносильно понятию "микропроцессор" прим. перев.) и
устройства. Существует два основных способа передачи данных между устройством и
ядром -- PIO и DMA. PIO задействует процессор, передача информации выполняется
байт за байтом по мере готовности в процессе обработки прерываний, либо по
опросу. Устройствам DMA передаются адрес источника (source address), адрес
назначения (destination address) и размер блока данных. Устройство само
перемещает данные в/из память(и). А после окончания передачи информации --
генерирует прерывание, чтобы уведомить ядро об окончании операции. Как правило,
режим PIO используется для низкоскоростных устройств, таких как модемы,
принтеры. И наоборот, для дисковых накопителей, графических терминалов
используется режим DMA.
Для PIO-устройств есть два способа передачи данных. Выбор
конкретного способа зависит от аппаратной архитектуры. Для архитектуры Intel x86
-- это порты ввода/вывода, для архитектуры Motorola 680x0 -- это ввод/вывод
через отображаемую память. Кроме того, большинство устройств с шиной ISA
(Industry Standard Architecture) поддерживают ввод/вывод через порты, в то время
как устройства с шиной PCI (Peripheral Component Interconnect) поддерживают
обмен через отображаемую память. Драйверу должны передаваться различные
параметры, такие как адреса портов ввода/вывода или диапазон адресов в памяти.
Иногда требуется передача драйверу дополнительных параметров, которые помогут
ему обнаружить соответствующее устройство или включить/выключить некоторые
специфические функции. В своей предыдущей статье на Linux Focus (http://linuxfocus.org/English/November2002/article264.meta.shtml),
я рассказывал об основах управления устройствами и проблемах безопасного
выделения портов ввода/вывода драйверам устройств в Linux. Так что снова к этой
теме я возвращаться не буду. С точки зрения разработчика распределение
отображаемой памяти для устройства во многом похоже на распределение портов
ввода/вывода, поскольку внутренние механизмы распределения похожи друг на
друга.
Макроопределения, используемые при выделении отображаемой памяти
ввода/вывода
Проверка на занятость диапазона адресов выполняется следующим
макросом:
int check_mem_region (unsigned long start, unsigned long
length);
Где первый аргумент start -- начальный адрес,
второй аргумент length -- размер блока памяти. Возвращаемое
значение равно нулю, если диапазон адресов свободен, в противном случае
возвращается значение меньше нуля.
Для "захвата" требуемого диапазона адресов отображаемой памяти
используется макрос:
void request_mem_region (unsigned long start, unsigned
long length, char *device_name);
Где char *device_name -- это название (имя)
устройства, за которым резервируется требуемый диапазон памяти.
Перед тем как драйвер будет выгружен из памяти, он должен
освободить память следующим макросом:
void release_mem_region (unsigned long start, unsigned
long length);
Пример выделения области памяти ввода/вывода
|
#include <linux/module.h>
#include
<linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include
<linux/ioport.h>
static int Major, result;
struct file_operations fops;
unsigned long start = 0, length = 0;
MODULE_PARM (start, "l");
MODULE_PARM (length, "l");
int Wipro_init (void) {
Major = register_chrdev (0, "Wipro_device",
&fops);
if (Major < 0)
{
printk (" Major number allocation
is failed \n");
return (Major);
}
printk (" The Major number of
the device is %d \n", Major);
result = check_mem_region (start, length);
if (result <
0)
{
printk ("Allocation for I/O memory range is failed: Try other
range\n");
return (result);
}
request_mem_region (start, length, "Wipro_device");
return
0;
}
void Wipro_cleanup (void) {
release_mem_region (start,
length);
printk (" The I/O memory region is released successfully
\n");
unregister_chrdev (Major, "Wipro_device");
printk (" The Major
number is released successfully \n");
}
module_init (Wipro_init);
module_exit
(Wipro_cleanup); |
Первые четыре строки подключают заголовочные файлы, которые
содержат объявления макроопределений и функций в ядре. Затем следуют объявления
переменных. Макросы MODULE_PARM выполняют начальную установку переменных во
время загрузки модуля. Этим макрокомандам передаются два параметра, первое --
имя переменной, второе -- тип переменной, в данном случае "l"
означает long int. Сохраните исходный код примера в файле "io_mem.c".
В функциях Wipro_init и Wipro_cleanup производится
инициализация и финализация (завершение работы) модуля драйвера. Функция
Wipro_init сначала регистрирует устройство Wipro_device в системе, размещая
старший номер устройства динамически. Затем она пробует зарезервировать заданную
область памяти. Если заданный диапазон адресов уже занят, функция
возвратит код ошибки, в противном случае она зарезервирует за устройством этот
диапазон памяти. Функция Wipro_cleanup освобождает выделенную ранее
память и возвращает старший номер устройства в систему (производит дерегистрацию
устройства).
Скомпилируйте модуль. В результате должен получиться файл
io_mem.o. На моей машине, с ядром 2.4, раскладка памяти и список устройств
выглядят следующим образом:
|
$cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
2
pty
...
180 usb
$cat /proc/iomem
00000000-0009fbff : System
RAM
...
e0000000-e3ffffff : Silicon Integrated Systems [SiS] 620
Host
ffff0000-ffffffff : reserved |
Загрузите модуль командой
$insmod ./io_mem.o
start=0xeeee0000 length=0xeeee
Если загрузка прошла успешно, то
можно увидеть, что устройство зарегистрировано под старшим номером 254 и за ним
зарезервирован заданный диапазон памяти. Теперь перечень устройств и раскладка
памяти выглядят следующим образом:
|
$cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
2
pty
...
180 usb
254
Wipro_device
$cat /proc/iomem
00000000-0009fbff : System
RAM
...
e0000000-e3ffffff : Silicon Integrated Systems [SiS] 620
Host
eeee0000-eeeeeeed :
Wipro_device
ffff0000-ffffffff :
reserved |
Заключение
В этой статье мы обсудили важность безопасного выделения
ресурсов для устройств с поддержкой ввода/вывода через отображаемую память в
драйверах для Linux. Рассмотрели основы устройств ввода/вывода через
отображаемую память и макрокоманды, используемые при распределении памяти. В
качестве практического примера выделения ресурсов для устройства ввода/вывода
через отображаемую память был приведен кусок кода из уже отлаженного драйвера.
Был объяснен порядок регистрации устройства в системе и выделения ему диапазона
адресов в памяти.
Благодарности
Я хотел бы выразить свою признательность
Mr.V.Jayasurya и Dr. Sanjay Gupta, Talent Transformation, Wipro
Technologies, India.
Ссылки
1. Linux Device Drivers (2nd Edition), by Alessandro Rubini and
Jonathan Corbet.
Книга издательства O'Reilly :http://linux.oreilly.com/
[Online
версию книги "Linux Device Drivers, 2nd Edition" вы найдёте по адресу http://www.xml.com/ldd/chapter/book/index.html.
Прим.ред.]
Copyright (C) 2002, Dr B Thangaraju. Copying license http://www.linuxgazette.com/copying.html
Published
in Issue 83 of Linux Gazette, October 2002
Команда переводчиков:
Владимир Меренков, Александр Михайлов, Иван
Песин, Сергей Скороходов, Александр Саввин, Роман Шумихин, Александр Куприн,
Андрей Киселев, Игорь Яровинский, Юрий Прушинский
Со всеми предложениями, идеями и комментариями обращайтесь к Александру
Куприну ([email protected]). Убедительная просьба:
указывайте сразу, не возражаете ли Вы против публикации Ваших отзывов в
рассылке.
Сайт рассылки: http://gazette.linux.ru.net
Эту статью
можно взять здесь: http://gazette.linux.ru.net/lg83/thangaraju.html
