리눅스 디바이스 드라이버 기초와 예제

▢  디바이스 드라이버

 디바이스 드라이버는 시스템이 지원하는 하드웨어를 사용자가 응용 프로그램에서 사용할 수 있도록 커널의 일부 영역을 사용하여 동작하는 일종의 프로그램이다. 

 리눅스에서 사용자가 커널 모드의 디바이스 드라이버를 사용하여 실제 하드웨어 디바이스에 접근하고자 할 때 아래 그림과 같은 추상적인 계층들을 통과해야 한다. 

 


리눅스 사용자 관점에서 디바이스는 하나의 파일로 인식된다. 이런 파일들은 /dev 디렉토리에 위치하며, 이들을 디바이스 파일이라고 한다. 

 


디바이스 드라이버는 문자/블록/네트워크 디바이스 드라이버 세 종류가 있으며, 각 디바이스는 주 번호(Major number)와 부 번호(Minor number)를 갖고 있다. 

문자 디바이스 (Char Device)

자료의 순차성을 지닌 장치로 버퍼 캐쉬를 사용하지 않으며, 장치의 raw data를 사용자에게 제공한다. 시리얼, 키보드, 프린터, 마우스 등이 이에 속한다. 

블록 디바이스 (Block Device)

Radom access, 블록 단위의 입출력이 가능하고, 파일 시스템에 의해 mount 되어 관리되는 장치. 디스크, CD-ROM등이 이에 속한다. 

네트워크 디바이스 (Network Device)

대응하는 장치 파일 없으며, 네트워크 통신을 통해 패킷을 송수신할 수 있는 장치. 이더넷 등이 이에 속한다. 

 




▢  커널 모듈

커널 모듈은 리눅스 커널이 부팅되어 동작 중일때도 동적으로 추가하거나 제거할 수 있는 커널의 구성요소이다. 디바이스 드라이버, 파일 시스템, 네트워크 프로토콜 등이 모듈로 제공된다. 

커널 모듈은 커널 영역에서 동작한다. 일반 응용프로그램과 달리 main함수가 없으며, 모듈이 적재될 때와 해지될 때 호출되는 함수가 존재한다. 

module_init(hellomodule_init);
module_exit(hellomodule_exit);


모듈 관련 app

  • insmod : 모듈을 커널에 적재
  • rmmod : 커널에서 모듈을 제거
  • lsmod : 커널에 로딩된 목록을 출력


다음은 모듈이 커널에 적재될 때와 제거될 때 로그 메시지를 출력하는 예제이다.

#ifndef __KERNEL__
#endif

#ifndef MODULE
#define MODULE
#endif

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>


static int hellomodule_init(void)
{
printk("hello module\n");
return 0;
}


static void hellomodule_exit(void)
{
printk("goodbye module\n");
}


module_init(hellomodule_init);
module_exit(hellomodule_exit);

MODULE_LICENSE("Daul BSD/GPL");


arm64 계열의 임베디드 리눅스 디바이스에서 동작하기 위한 Makefile은 아래와 같다.

CROSS_COMPILE=/home/r/external-toolchain/bin/aarch64-linux-gnu-

obj-m := hellomodule.o
KDIR := /home/r/linux-3.10
PWD := $(shell pwd)

default:
$(MAKE) ARCH=arm64 -C $(KDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=${CROSS_COMPILE}
clean:
rm -f *.ko
rm -f *.o
rm -f *.mod.*
rm -f .*.cmd


예제의 모듈을 임베디드 디바이스에 복사한 후, 커널에 적재하고 제거하면 아래와 같은 메시지를 출력한다.

 


커널에 모듈이 적재될 때 module_init로 지정된 함수가 호출되어 hello modul을 출력하고, 커널에서 모듈이 제거될 때 module_exit로 지정된 함수가 호출되어 goodbye module이 출력되는 것을 볼 수 있다. 



▢  리눅스 커널 모듈 형태의 디바이스 드라이버 예제

커널 모듈 형태의 디바이스 드라이버를 만들기 위해 다음의 함수들을 구현해야 한다.

1. module_init

- 디바이스 드라이버의 커널 등록

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
int register_blkdev(unsigned int, const char *)
int register_netdev(struct net_device *dev)

- 드라이버 초기화 

2. module_exit

- 디바이스 드라이버 등록 해제

void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
int unregister_filesystem(struct file_system_type *)
void unregister_netdev(struct net_device *dev)


3. char device driver경우 struct file_operations 정의 및 함수

디바이스 드라이버는 파일과 같은 인터페이스를 이용하여 관리된다. file_operations 전체 구조체는 linux/fs.h에 정의 되어있으며 전체 구조는 다음과 같다. 이 구조체의 인터페이스를 모두 구현할 필요는 없고, 디바이스 드라이버 동작에 필요한 인터페이스만 구현해도 된다. 또한 커널 버전에 따라 구조체의 내용은 일정부분 변경될 수 있다.

 



다음은 간단하게 구현된 char device driver 예제 소스코드이다.

#ifndef __KERNEL__
#define __KERNEL__
#endif

#ifndef MODULE
#define MODULE
#endif

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/poll.h>

#define cddex_dev_name "ryan cddex"
#define data_max_len 128

int cddex_major = 0;
static char data[data_max_len];
static int data_len;

static int cddex_open( struct inode *inode, struct file *filp )
{
    printk("cddex_open\n");
    data_len = 0;
    return 0;
}

static ssize_t cddex_read(struct file *filp, char __user  *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int copylen = count;

    if (!buf) return -1;
    if (count <= 0) return -1;

    if (copylen > data_len)
        copylen = data_len;

    if (copylen > 0)
    {
        if (copy_to_user(buf,data,copylen*sizeof(char)))
        {
            return -1;
        }
    }

    return copylen;
}

static ssize_t cddex_write(struct file *filp, const char __user  *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int copylen = count;
    if(!buf) return -1;
    if (copylen > data_max_len)
        copylen = data_max_len;

    if (copylen > 0)
    {
        if (copy_from_user(data, buf, copylen*sizeof(char)))
        {
            return -1;
        }
    }

    data_len = copylen;

    return copylen;
}

static int cddex_release( struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk("cddex_release\n");
    return 0;
}

static struct file_operations cddex_fops =
{
.owner=THIS_MODULE,
.open= cddex_open, 
.release= cddex_release, 
.read= cddex_read,
.write= cddex_write,
};

static int cddex_init(void)
{
    cddex_major = register_chrdev( 0, cddex_dev_name, &cddex_fops );

    if (cddex_major >= 0)
    {
        printk("register device %s Success (major=%d)\n", cddex_dev_name, cddex_major );
    }        
    else
    {        
        printk("register device %s Fail\n", cddex_dev_name);
        return -EBUSY;
    }
    return 0;
}

static void cddex_exit(void)
{
    unregister_chrdev( cddex_major, cddex_dev_name );
}

module_init(cddex_init);
module_exit(cddex_exit);

MODULE_AUTHOR("ryanclaire.blogspot.com");
MODULE_LICENSE("Daul BSD/GPL");


Makefile은 다음과 같다.

CROSS_COMPILE=/home/r/external-toolchain/bin/aarch64-linux-gnu-

obj-m := cddex.o
KDIR := /home/r/linux-3.10
PWD := $(shell pwd)

default:
$(MAKE) ARCH=arm64 -C $(KDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=${CROSS_COMPILE}
clean:
rm -f *.ko
rm -f *.o
rm -f *.mod.*
rm -f .*.cmd


드라이버가 커널에 적재될 때 register_chrdev함수를 사용해 char device deriver로 등록했으며, 드라이버가 커널에서 제거될 때 unregister_chrdev함수를 사용해 드라이버 등록을 해제했다. 

파일 인터페이스와 관련하여 file_operations 구조체의 open, release, read, wirte를 구현하였다.

static struct file_operations cddex_fops =
{
.owner=THIS_MODULE,
.open= cddex_open, 
.release= cddex_release, 
.read= cddex_read,
.write= cddex_write,
};


file_operations.open은 사용자 모드의 app에서 open함수 호출 시 file_operations.open에 할당된 디바이스 드라이버 함수가 호출된다.

file_operations.release 는 사용자 모드 app의 close 함수 호출 시 할당된 디바이스 드라이버 함수가 호출된다. 

file_operations.read/ file_operations.write는 각각 사용자 모드 app에서 read/write을 사용할 때 디바이스 드라이버에 할당된 함수가 호출된다.

예제에서는 write로 쓰여진 데이터를 저장했다. read가 호출될 때 저장된 데이터를 app에서 읽을 수 있도록 하였다. 데이터는 사용자 모드와 커널 모드의 메모리 변환을 고려하여 copy_to_user/ copy_from_user를 사용하였다.



▢  디바이스 드라이버 예제 사용 App

위 예제 코드에서 생성된 디바이스 드라이버는 insmod를 이용해 커널에 적재한다음 사용자 모드의 app에서 이를 사용하기 위해 노드(파일)을 생성해야 한다. 

mknod 파일이름 드라이버타입 주번호 부번호

위 예제에서는 드라이버가 적재될 때 주번호를 화면에 출력하도록 하였다.

mknod /dev/cddex c 250 0


위 디바이스 드라이버 사용 예제 코드는 다음과 같다. 디바이스 드라이버에 ‘hello\r\n’을 쓴 후 쓰여진 데이터를 읽는 예제 코드이다.


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>


int main( int argc, char **argv )
{
    char *msg = "hello\r\n";
    char buffer[128] = {0,};

    int fd = open("/dev/cddex", O_RDWR| O_NDELAY );
    if(fd < 0)
    {
        printf("cddex open fail\n");
        return -1;
    }

    write(fd,msg,strlen(msg));
    read(fd,buffer,128);
    printf("read : %s\r\n",buffer);

    close(fd);

    return 0;
}


드라이버를 등록하고 app를 실행한 결과는 아래와 같다.




관련 포스트

insmod vmalloc: allocation failure 발생 해결법

댓글

댓글 쓰기

이 블로그의 인기 게시물

windows에서 간단하게 크롬캐스트(Chromecast)를 통해 윈도우 화면 미러링 방법

이미지
 Windows 10에서는 미라캐스트를 사용한 무선 디스플레이연결을 지원한다. 하지만, 만약 크롬캐스트(Chromecast)를 사용해 윈도우 화면을 미러링 하고자 할 때, 구글 크롬 브라우저를 사용하면 쉽고 편하게 할 수 있다. https://www.google.co.kr/intl/ko/chrome/ VLC에서도 비디오 화면을 미러링 할 수 있다고 하는데, 잘 동작하지 않고 윈도우 화면 전체를 미러링하지 않아 크롬 브라우저를 사용하고 있다. 크롬 캐스트 윈도우 화면 전송 방법 0. 크롬 캐스트 디바이스와 windows pc는 같은 네트웍에 연결되어 있어야 한다. (같은 공유기에 연결되어 있어야 한다.) 1. 크롬 브라우저의 우측 상단의 메뉴 > 전송을 클릭하면, 현재 사용가능한 크롬캐스트 디바이스 항목을 볼 수 있다. 2. 편의에 따라 탭 전송 아이콘에서 우측 버튼을 클릭하여 항상 표시되게 설정할 수도 있다. 3.  윈도우 화면 전체를 전송하고자 할 때는 탭 전송의 소스에서 '데스크톱 전송'을 선택하고, 바로 위의 크롬캐스트 디바이스를 클릭하면 된다. ** 소스는 미러링 중에는 변경되지 않는다. 먼저 소스를 선택하고 미러링해야 한다.  4. 화면 전송을 끝내고자 할 때는, 탭 전송에서 화면 전송중인 크롬캐스트 디바이스를 클릭하거나, 크롬 브라우저를 종료하면 된다.
자세한 내용 보기

python winsound를 이용한 윈도우 환경에서 소리 재생 예제

 본 포스트에는 윈도우 환경에서 python의 winsound라이브러리를 이용한 사운드 재생의 예제를 싣고 있다. import winsound 특정 주파수 톤 재생 Beep를 사용하여 특정 주파수의 소리를 정해진 시간동안 재생할 수 있다. winsound.Beep(frequency, duration) 파라미터 frequency : Hz 단위며, 범위는 37Hz~32,767Hz duration : milliseconds 단위이다. example code import winsoind winsound.Beep(370,2000) wave 재생 지정된 파일, 윈도우 레지스트리에 등록된 사운드 혹은 오디오 데이터(bytes-like object)를 재생한다. 만약 sound 리소스가 없는 경우 시스템 디폴트 사운드를 재생한다.  winsound.PlaySound(sound, flags) 파라미터 sound : 파일 이름, 시스템 사운드 별명, 오디오 데이터 flags : winsound.SND_FILENAME : sound 파라미터는 wave file 이름 이며, SND_ALIAS와 함께 사용하면 안된다.  winsound.SND_ALIAS : sound 파라미터는 시스템 사운드 별명이며, SND_FILENAME와 함께 사용하면 안된다. ex) 'SystemAsterisk', 'SystemExclamation', 'SystemExit', 'SystemHand', 'SystemQuestion' winsound.SND_LOOP : 반복 재생한다. 테스트해보니 SND_ASY
자세한 내용 보기

쉽게 설명한 파티클 필터(particle filter) 동작 원리와 예제

이미지
파티클 필터(particle filter)는 칼만 필터(kalman filter) 와 마찬가지로 노이즈가 있는 환경에서 측정된 데이터를 필터를 사용해 실제 위치를 추정하는 도구다. 파티클 필터(particle filter)는 보통 가우시안 분포가 아닌 측정 데이터를 다루기 위해 사용된다고 한다. 물론 가우시안 분포의 데이터에서 사용하지 말라는 건 아니다.  본 포스트에서는 파티클 필터(particle filter)의 어려운 수학적인 내용은 제하고, 쉽게 예를 들며 필터의 동작원리에 대해 알아보았다. 파티클 필터(particle filter)에 대해 검색해 보면 아래와 같은 그림을 많이 보게 된다. 아래 그림은 파티클 필터의 estimation cycle을 도식화한 것이다. <’Real-Time Tracking of Multiple Moving Objects Using Particle Filters and Probabilistic Data Association’ original scientific paper 中> 위 그림의 검은색 원들은 particle을 의미한다. 이 particle에는 보통 위치 데이터와 weight가 포함된다. 검은색 원이 큰 것이 있고 작은 것이 있는 이유는 weight가 크고 작음을 의마한다. typedef struct _particle_t {    int x;    int y;    float weight; }particle_t; 노이즈가 있는 환경에서 레이저 센서나 레이더등을 이용하여 물체의 위치를 측정할 때를 가정해 순서대로 이 필터가 동작하는 과정에 대해 알아 보겠다. (순서는 위 그림과 조금 다르다) 1. 초기 상태 측정 범위안에 랜덤 혹은 일정한 간경으로 particle을 뿌려 놓는다. 이 떄 particle의 weight는 모두 0으로 한다.   for(i
자세한 내용 보기

간단한 cfar 알고리즘에 대해

이미지
Constant False Alarm Rate (CFAR)은 기본적으로 테스트하고자 하는 위치의 cell과 주변 cell의 관계를 보고 테스트 cell이 Target 인지 아닌지를 구분하는 알고리즘이다. 주변 cell과의 관계를 어떤 방식으로 비교하는가에 따라 여러가지 알고리즘이 존재한다. CA-CFAR, GO-CFAR, SO-CFAR, OS-CFAR, VI-CFAR, OSVI-CFAR등이 있다. 이 많은 알고리즘 중 간단하고 기본적인 CA-CFAR과 OS-CFAR에 대해 알아보자. CA-CFAR (Cell Average CFAR)   CA-CFAR의 원리는 위 그림과 같다. 좌우의 Reference Cell의 평균에 Scale Factor T를 곱하고, ADT (Average Decision Threshold)를 합하여 CUT가 타겟인지 아닌지를 구분한다. ADT는 신호의 white noise를 고려하기 위해 더해준다. Scale Factor T와 ADT는 아래와 같은 공식으로 사용할 수 있다. 사용하려는 시스템에 따라 공식은 달라질 수도 있다.   Pfa는 False Alarm 발생 확률을 나타내고, M과N는각 좌우의 Reference Cell의 개수를 나타낸다. OS-CFAR (Order Static CFAR)   OS-CFAR의 원리는 위 그림과 같다. 좌우의 reference cell중 K번째 큰 값의 cell을 Reference Cell의 대표 값으로 정해 CUT가 타겟인지 아닌지를 구분한다. 보통 전제 reference cell의 크기 순에서 (3*N)/4 번째 cell이 성능이 좋다고 알려져 있다. CFAR 사용 예 아래 사진은 위 두 cfar을 사용한 예다. 파란색은 신호이며, 붉은 색은 char을 사용해 만든 threshold이다. 이 threshold보다 큰 값의 신호가 있는 위치에 실제 Target이 있다고 볼 수 있
자세한 내용 보기

HTTP 프로토콜 구조 개요와 예제

이미지
HTTP는 HyperText Transfer Protocol의 약자이다. HTTP는 아마도 인터넷에서 가장 많이 사용되는 프로토콜일 것이다. HTTP 관련 표준은 다음과 같다. RFC 1945 "Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.0", 1996 RFC 2616 "Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.1", 1999 HTTP는 OSI 7 layer 에서 가장 상위 단의 application layer에 속한다. HTTP는 TCP/IP 연결 위에 올라가 있으며, HTTPS의 경우에는 SSL 위에 올라가 있다.  ================ HTTP     |      HTTPS ================                     SSL               =========           TCP  ================            IP ================ ◾ Protocol overview   HTTP는 위 그림과 같이 HTTP 클라이언트에서 HTTP 서버로 요청을 보내고, 요청을 받은 서버는 클라이언트에게 상황에 맞는 응답을 보내는 형태로 이루어져 있다. 예를 들어 웹 브라우저에서 서버로 웹 페이지를 요청할 때 아래와 같은 요청 메시지를 서버에 보내고, GET / HTTP/1.1 Host: ryanclaire.blogspot.com Connection: keep-alive DNT: 1 Upgrade-Insecure-Requests: 1 User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/86.0.4240.75 Safari/537.3
자세한 내용 보기