Introdução ao Desenvolvimento com LINUX: Módulos do Kernel

Transcrição

1 Introdução ao Desenvolvimento com LINUX: Módulos do Kernel Lucas Wanner, Antônio Augusto Fröhlich 16 de Jul de

2 Desmotivação para Desenvolver Software de Sistema Já temos Windows e Unix e MacOS! Que são sistemas multiusuário, multitarefa com interfaces gráficas legais que nos permitem acessar a Web... E fazem uso de modernas técnicas de engenharia de software, como programação estruturada! E há inúmeras histórias de SOs fracassados... E temos ótimos padrões de SO! APIs fortes como Posix e Win32 Hardware se fixando na novíssima arquitetura IA 32 Como disse Pike: pesquisa em SO é irrelevante! 2

3 Motivação para Desenvolver Software de Sistema Sistemas de propósito geral Prontos para o que der e vier Qualquer aplicação Muitos serviços Sistemas dedicados Where are the processors? (Tennenhouse, CACM 43(5):44) embedded 80% Aplicações particulares Requisitos específicos e interactive 2% robots 6% vehicles 12% poucos serviços São a grande MAIORIA! 8 bit 63% 4 bit 22% >= 32 bit 3% 16 bit 12% 3

4 Sistemas Dedicados na Forma de Placas PCI 4

5 Drivers de dispositivos Caixa preta que esconde a interação com o hardware atrás de uma interface de software comum (API/SPI) Implementados através de módulos carregáveis no kernel dos UNIXes modernos (e.g. LINUX) 5

6 Kernel LINUX 6

7 Kernel LINUX 7

8 Drivers de dispositivos no LINUX API inspirada em arquivos Dispositivos representados por pseudo arquivos Operações típicas de arquivos Open / Close, Read / Write Implementados através de módulos carregáveis ou lincados diretamente ao kernel Categorias Dispositivos orientados à caractere Dispositivos orientados a bloco Dispositivos de rede 8

9 Pseudo Arquivos de Dispositivos de Hardware Por convenção, no diretório /dev Kernel redireciona as operações realizadas nos pseudo arquivos para os serviços correspondentes do driver do dispositivo Pseudo arquivos são amarrados com os dispositivos através dos números major e minor 9

10 Pseudo Arquivos de Dispositivos de Hardware Número Major Identifica o driver (módulo) que deve ser acessado Número de 8 bits Número Minor Identifica o dispositivo (unidade) dentro do contexto do módulo Exemplo Driver IDE: major = 3 Primeira partição do primeiro disco IDE: minor = 1 10

11 Dispositivos Orientados à Caractere Vistos como fluxos de bytes Operação similar a arquivos comuns Exceção: não é possível avançar/retroceder na leitura/escrita (i.e. seek) Exemplos /dev/console /dev/ttys0 11

12 Dispositivos orientados a blocos Dispositivos que, durante as operações de I/O, acessam dados em blocos Dispositivos relacionados com sistemas de arquivos (e.g. discos) Interface comum com dispositivos orientados à caractere, mas com semântica distinta Orientados a blocos Poder avançar ou retroceder a leitura/escrita Operações adicionais para suportar sistemas de arquivos 12

13 Dispositivos de Rede Não se encaixam no esquema de pseudoarquivos Geralmente não são um nodo no sistema de arquivos Integrados a uma pilha de protocolos Interface de rede genérica Operações relacionadas a comunicação (e.g. envio de dados, recepção, manipulação de time outs, agrupamento de estatísticas) Otimizada para integração a pilha TCP/IP 13

14 Inicialização de Módulos Inicialização int init_module(void) Ponto de entrada do módulo Chamado na carga (pelo comando insmod) Registra o módulo no kernel Finalização void cleanup_module(void) Ponto de saída do módulo Chamado na finalização (pelo comando rmmod) Deregistra o módulo 14

15 Compilação de Módulos Sistema de compilação do Kernel 2.6 Usa um sistema estendido de make com Makefiles simplificados para os drivers: $ cat Makefile obj-m := hello.o Compilando módulos de fora da árvore do kernel make -C $LINUX_SRC/ M='pwd' modules Exige uma árvore configurada do kernel! 15

16 Compilando o Kernel LINUX Preparação Pacotes necessários sudo apt-get install linux-kernel-devel fakeroot qt3-dev-tools libqt3-mt-dev (Ubuntu) Download do código fonte do kernel sudo apt-get install linux-source (Ubuntu) Download disponível em kernel.org Criação de diretório para compilação mkdir ~/src cd ~/src tar xjvf /usr/src/linux-source-versao.tar.bz2 cd linux-source-versao 16

17 Compilando o Kernel LINUX Processo de Compiliação Cópia da configuração atual cp -vi /boot/config-`uname -r`.config Configuração make xconfig Compilação make Utilização do kernel compilado (não é necessário para compilar os módulos) make kernel-image Atualização da configuração do bootloader 17

18 Exercício: Hello Module Crie um módulo Hello World Defina as funções de entrada e saída do módulo: static int hello_init(void) static void hello_exit(void) No corpo destas funções, imprima uma mensagem Exemplo: printk(kern_alert "Hello, world.\n"); Registre as funções com as macros module_init(x) e module_exit(y) Crie um módulo Hello World Headers #include <linux/init.h>, #include <linux/module.h> 18

19 Exercício: Hello Module #include <linux/init.h> #include <linux/module.h> static int hello_init(void) { printk(kern_alert "Hello, kernel\n"); return 0; } static void hello_exit(void) { printk(kern_alert "Goodbye, kernel\n"); } module_init(hello_init); module_exit(hello_exit); 19

20 Exercício: Hello Module $ ls hello.c Makefile $ make -C /lib/modules/`uname -r`/build M=`pwd` modules make: Entering directory `~/src/linux-source ' CC [M] /home/lucas/tmp/linux-dev/modules/hello/hello.o Building modules, stage 2. MODPOST 1 modules CC /home/lucas/tmp/linux-dev/modules/hello/hello.mod.o LD [M] /home/lucas/tmp/linux-dev/modules/hello/hello.ko make: Leaving directory `~/src/linux-source ' $ ls hello.c hello.ko hello.mod.c hello.mod.o hello.o Makefile Module.symvers 20

21 Hello Module: Saída Saída gerada pela biblioteca do kernel (método printk) Mensagens visíveis através do comando dmesg $ sudo insmod hello.ko $ dmesg grep Hello [ ] Hello, kernel $ sudo rmmod hello $ dmesg grep Goodbye [ ] Goodbye, kernel 21

22 Hello Module: Trace Quando insmod é chamado, o kernel Aloca memória para o módulo Abre o arquivo que contem o código Lê o arquivo para a memória alocada Chama o método init_module() 22

23 Hello Module: Trace sudo strace insmod hello.ko execve("/sbin/insmod", ["insmod", "hello.ko"], [/* 16 vars */]) = 0 brk(0) = 0x804a000 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) mmap2(null, 8192, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7f0a000 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3 fstat64(3, {st_mode=s_ifreg 0644, st_size=78806,...}) = 0 mmap2(null, 78806, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7ef6000 close(3) = 0 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) open("/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6", O_RDONLY) = 3 read(3, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0\260e\1"..., 512) = 512 fstat64(3, {st_mode=s_ifreg 0755, st_size= ,...}) = 0 mmap2(null, , PROT_READ PROT_EXEC, MAP_PRIVATE MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0xb7da7000 mmap2(0xb7ef0000, 12288, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_FIXED MAP_DENYWRITE, 3, 0x149) = 0xb7ef0000 mmap2(0xb7ef3000, 9840, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_FIXED MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7ef3000 close(3) = 0 mmap2(null, 4096, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7da6000 set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb7da66b0, limit: , seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0 mprotect(0xb7ef0000, 4096, PROT_READ) = 0 munmap(0xb7ef6000, 78806) = 0 brk(0) = 0x804a000 brk(0x806b000) = 0x806b000 open("hello.ko", O_RDONLY) = 3 read(3, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\1\0\3\0\1\0\0\0\0\0\0\0"..., 16384) = read(3, "\0\0\rM\1$\0\0\0\3#\354@\32\325\31\0\0\rN\1\3\n\0\0\3#"..., 16384) = read(3, "r_cpu_pages\0 vm86_gs\0io_bitmap"..., 32768) = read(3, "", 15700) = 0 close(3) = 0 init_module(0x804a018, 49836, "") = 0 exit_group(0) =? Process detached 23

24 Registro de Módulos Liga um módulo à interface de chamadas de sistema do kernel Registro int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops) Deregistro int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name) Pseudo arquivo mknod /dev/devname0 c major minor 24

25 Parâmetros do Módulo Variáveis globais acessíveis externamente Declaradas através da macro MODULE_PARM(variavel, tipo, permissões) int irq = 10; char * name = Unknown ; /*declara irq como int */ MODULE_PARM(irq, i, 0); /*declara name como string */ MODULE_PARM(name, s, 0); Definidas em tempo de carga insmod mod.o irq=9 name= The Module 25

26 Informações do Módulo Declarações do módulo visíveis externamente, que fornecem informações aos clientes do módulo Macros MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Alguem"); MODULE_DESCRIPTION("Este modulo não faz nada"); MODULE_PARM_DESC(irq, "Device IRQ (3/4)" 26

27 Operações de arquivo struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); : : }; 27

28 Estrutura arquivo struct file { struct list_head f_list; struct dentry *f_dentry; struct vfsmount *f_vfsmnt; struct file_operations *f_op; atomic_t f_count; unsigned int f_flags; mode_t f_mode; loff_t f_pos; unsigned long f_reada, f_ramax, f_raend,f_ralen,f_rawin; struct fown_struct f_owner; unsigned int f_uid, f_gid; int f_error; : }; MINOR(f_dentry->d_inode->i_rdev) 28

29 Contador de Referências Contador de Referências do Módulo Contabiliza automaticamente o número de clientes que um módulo tem em um determinado momento Evita que um modulo que está sendo utilizado seja descarregado Manipulado pelas funções: int try_module_get(&module); module_put(); 29

30 Gerência de Memória Código do kernel roda no contexto do processo de usuário que fez a chamada #include <asm/uaccess.h> unsigned long copy_to_user(to, from, count); unsigned long copy_from_user(to, from, count); Alocação de memória dentro do kernel #include <linux/malloc.h> void *kmalloc(unsigned int size, int priority); void kfree(void *obj); 30

31 Dicas de Programação Não utilizar bibliotecas (e cabeçalhos) padrão printk no lugar de printf #include <linux/x.h> #include <asm/y.h> Sinalizar código de kernel #define KERNEL Evitar conflitos de nomes Símbolos locais (static) Símbolos pré fixados (mod_sym) EXPORT_NO_SYMBOLS; 31