Расширения ядра Linux: драйверы и модули
Год издания: 2023
Автор: Цилюрик О. И.
Издательство: БХВ-Петербург
ISBN: 978-5-9775-1719-5
Язык: Русский
Формат: PDF
Качество: Издательский макет или текст (eBook)
Количество страниц: 685
Описание: В книге подробно рассмотрено программирование драйверов ядра Linux, исследованы возможности расширяемости ядра при помощи модулей. Основная версия ядра — 5.15. Код примеров отработан и проверен на десятках различных инсталляций Linux, установленных из различных дистрибутивов и разных семейств дистрибутивов: Fedora, CentOS, Debian, Ubuntu, Mint. Уделено внимание архитектурам x_64, x_86, ARM, а также одноплатному компьютеру Raspberry Pi и драйверам устройств, подключаемых по USB. Затронут стандарт POSIX, разобраны API ядра, работа с Raspberry Pi, системные вызовы и подключение разнообразных периферийных устройств.
Для программистов и системных администраторов
Примеры страниц (скриншоты)
Оглавление
От автора ...................................................................................................................................... 11
Предыстория .................................................................................................................................. 11
Кому адресована книга? ................................................................................................................ 13
Структура книги ............................................................................................................................. 15
Соглашения, принятые в тексте ................................................................................................... 18
Код примеров и замеченные опечатки......................................................................................... 19
Замечания о версиях ядра ............................................................................................................. 22
Обновляемость ядра ...................................................................................................................... 23
Использованные источники информации.................................................................................... 25
Обновления текущей редакции текста ......................................................................................... 25
Глава 1. Модули с высоты птичьего полёта... .................................................................................. 27
Linux и GNU ................................................................................................................................... 27
FAQ ................................................................................................................................................. 28
Модуль в иерархии программных систем ................................................................................... 29
Наш первый модуль ядра .............................................................................................................. 31
Сборка модуля ........................................................................................................................ 31
Загрузка и исполнение ........................................................................................................... 33
Точки входа и завершения .................................................................................................... 34
Внутренний формат модуля .......................................................................................................... 36
Диагностика модуля ...................................................................................................................... 38
Уровни диагностики в /proc .................................................................................................. 42
Представление адресов в Linux ............................................................................................ 43
Форматы вывода .................................................................................................................... 45
Основные ошибки модуля ............................................................................................................ 48
Обсуждение .................................................................................................................................... 50
Глава 2. Архитектура и вокруг....................................................................................................... 53
Ядро: монолитное и микроядро.................................................................................................... 53
Траектория системного вызова .................................................................................................... 55
Библиотечный и системный вызов из процесса .................................................................. 56
Под капотом системного вызова .......................................................................................... 63
Отслеживание системного вызова в процессе .................................................................... 66
Различия программ пространств ядра и пользователя ............................................................... 67
Интерфейсы модуля ...................................................................................................................... 70
Взаимодействие модуля с уровнем пользователя ............................................................... 70
Взаимодействие модуля с ядром .......................................................................................... 75
Коды ошибок .......................................................................................................................... 77
Загрузка модулей ........................................................................................................................... 77
Автоматическая загрузка модулей ....................................................................................... 78
Запрет загрузки (черный список модулей) .......................................................................... 79
Параметры загрузки модуля ......................................................................................................... 80
Конфигурационные параметры ядра ............................................................................................ 85
Параметры в ядре ................................................................................................................... 85
Параметры в модуле .............................................................................................................. 88
Подсчет ссылок использования .................................................................................................... 91
Обсуждение .................................................................................................................................... 93
Глава 3. Инструментальное окружение ............................................................................................. 95
Основные команды ........................................................................................................................ 95
Системные файлы .......................................................................................................................... 96
Графика, терминал и текстовая консоль ...................................................................................... 99
Управление текстовыми консолями ........................................................................................... 100
Коротко о компиляторе GCC ...................................................................................................... 102
Ассемблер в Linux ....................................................................................................................... 105
Нотация AT&T ..................................................................................................................... 107
Инлайновый ассемблер GCC .............................................................................................. 108
Создание среды сборки модулей ядра ....................................................................................... 110
Работа над кодом ......................................................................................................................... 114
В деталях о сборке ....................................................................................................................... 117
Переменные периода компиляции ..................................................................................... 117
Дополнительные параметры периода компиляции ........................................................... 118
Версионность ядра в коде модуля ...................................................................................... 118
Как собрать одновременно несколько модулей? .............................................................. 120
Как собрать модуль и используемые программы к нему? ............................................... 120
Пользовательские библиотеки ............................................................................................ 121
Как собрать модуль из нескольких объектных файлов? .................................................. 123
Рекурсивная сборка ............................................................................................................. 125
Подписывание модулей ............................................................................................................... 127
Инсталляция модуля .................................................................................................................... 130
Нужна ли новая сборка ядра? ..................................................................................................... 131
Динамическая сборка модулей (DKMS) .................................................................................... 133
Обсуждение .................................................................................................................................. 138
Глава 4. Внешние интерфейсы модуля ................................................................... 139
Драйверы: интерфейс устройства............................................................................................... 139
Символьные устройства ...................................................................................................... 143
Варианты реализации ................................................................................................. 145
Ручное создание имени ...................................................................................... 146
Использование udev ........................................................................................... 151
Динамические имена .......................................................................................... 155
Разнородные (смешанные) устройства ............................................................. 159
Управляющие операции устройства ......................................................................... 162
Множественное открытие устройства ...................................................................... 169
Счетчик ссылок использования модуля .................................................................... 177
Режимы выполнения операций ввода/вывода .......................................................... 180
Неблокирующий ввод/вывод и мультиплексирование ............................................ 181
Блочные устройства ............................................................................................................. 190
Особенности драйвера блочного устройства ........................................................... 193
Обзор примеров реализации ...................................................................................... 194
Регистрация устройства ............................................................................................. 195
Подготовка к регистрации ................................................................................. 195
Диски с разметкой MBR и GPT ........................................................................ 197
Заполнение структуры ....................................................................................... 199
Завершение регистрации ................................................................................... 201
Таблица операций устройства ................................................................................... 201
Обмен данными........................................................................................................... 205
Классика: очередь и обслуживание ядром ....................................................... 210
Очередь и обработка запроса в драйвере ......................................................... 212
Отказ от очереди ................................................................................................ 214
Пример перманентных данных ......................................................................... 215
Некоторые важные API ...................................................................................... 215
Результаты тестирования ........................................................................................... 216
Файловая система FUSE ............................................................................................. 221
Интерфейс /proc ........................................................................................................................... 228
Терминальные значения в /proc и /sys ................................................................................ 230
Использование /proc ............................................................................................................ 231
Специфический механизм procfs ............................................................................... 232
Варианты реализации чтения ............................................................................ 240
Запись данных .................................................................................................... 244
Общий механизм файловых операций ...................................................................... 245
Интерфейс /sys ............................................................................................................................. 251
Создание и использование имен в /sys ............................................................................... 253
Ошибки обменных операций .............................................................................................. 261
Сетевые интерфейсы и протоколы ............................................................................................. 263
Сетевые инструменты .......................................................................................................... 265
Сетевые интерфейсы .................................................................................................. 265
Инструменты наблюдения ......................................................................................... 269
Инструменты интегрального тестирования .............................................................. 276
Структуры данных сетевого стека ...................................................................................... 278
Драйверы: сетевой интерфейс ............................................................................................ 279
Создание сетевых интерфейсов ................................................................................. 279
Новая схема, и детальнее о ее создании ................................................................... 281
Операции сетевого интерфейса ................................................................................. 286
Переименование сетевого интерфейса ..................................................................... 291
Путь пакета сквозь стек протоколов .................................................................................. 293
Прием: традиционный подход ................................................................................... 293
Прием: высокоскоростной интерфейс ...................................................................... 294
Передача пакетов ........................................................................................................ 297
Статистика интерфейса ....................................................................................................... 298
Виртуальный сетевой интерфейс ....................................................................................... 301
Протокол сетевого уровня .................................................................................................. 307
Еще раз о виртуальном интерфейсе... ................................................................................ 314
Протокол транспортного уровня ........................................................................................ 321
Использование драйверов Windows ................................................................................... 323
Обсуждение .......................................................................................................................... 324
Глава 5. Внутренние API ядра .................................................................................................. 326
Механизмы управления памятью ............................................................................................... 326
Карта памяти ........................................................................................................................ 326
Динамическое выделение памяти ....................................................................................... 330
Распределители памяти ....................................................................................................... 334
Слябовый распределитель ................................................................................................... 336
Страничное выделение ........................................................................................................ 344
Выделение больших буферов ............................................................................................. 344
Динамические структуры и управление памятью ............................................................. 345
Циклический двусвязный список .............................................................................. 345
Модуль, использующий динамические структуры .................................................. 349
Сложноструктурированные данные .......................................................................... 351
Еще об инициализации объектов ядра ...................................................................... 351
Служба времени ........................................................................................................................... 352
Информация о времени в ядре ............................................................................................ 352
Источник прерываний системного таймера ............................................................. 355
Дополнительные источники информации о времени .............................................. 356
Три класса задач во временной области ............................................................................ 357
Измерения временных интервалов ..................................................................................... 358
Временные задержки ........................................................................................................... 365
Таймеры ядра ....................................................................................................................... 371
Таймеры высокого разрешения .......................................................................................... 372
Абсолютное время ............................................................................................................... 375
Часы реального времени (RTC) .......................................................................................... 376
Время и диспетчеризация в ядре ........................................................................................ 381
Параллелизм и синхронизация ................................................................................................... 382
Потоки ядра .......................................................................................................................... 385
Создание потока ядра ................................................................................................. 385
Свойства потока .......................................................................................................... 387
Новый интерфейс потоков ......................................................................................... 389
Синхронизация завершения ....................................................................................... 394
Синхронизация в коде ......................................................................................................... 401
Критические секции кода и защищаемые области данных ..................................... 401
Механизмы синхронизации ....................................................................................... 402
Условные переменные и ожидание завершения ...................................................... 402
Атомарные переменные и операции ......................................................................... 405
Битовые атомарные операции ........................................................................... 405
Арифметические атомарные операции............................................................. 406
Локальные переменные процессора .......................................................................... 407
Предыдущая модель ........................................................................................... 407
Новая модель ...................................................................................................... 408
Блокировки .................................................................................................................. 409
Семафоры и мьютексы ...................................................................................... 410
Спин-блокировки ................................................................................................ 415
Блокировки чтения/записи................................................................................. 417
Сериальные (последовательные) блокировки .................................................. 420
Мьютексы реального времени .......................................................................... 422
Инверсия и наследование приоритетов ............................................................ 422
Множественное блокирование .................................................................................. 423
Уровень блокирования ............................................................................................... 424
Предписание порядка выполнения ............................................................................ 430
Аннотация ветвлений ......................................................................................... 430
Барьеры ............................................................................................................... 431
Обработка прерываний ............................................................................................................... 432
Общая модель обработки прерывания ............................................................................... 433
Наблюдение прерываний в /proc ........................................................................................ 436
Регистрация обработчика прерывания ............................................................................... 439
Обработчик прерываний: верхняя половина ..................................................................... 442
Управление линиями прерывания ............................................................................. 444
Пример обработчика прерываний ............................................................................. 444
Отложенная обработка: нижняя половина ......................................................................... 446
Отложенные прерывания: softirq ............................................................................... 446
Тасклеты ...................................................................................................................... 450
Демон ksoftirqd ............................................................................................................ 452
Очереди отложенных действий: workqueue .............................................................. 452
Сравнение и примеры ................................................................................................. 455
Обсуждение .......................................................................................................................... 460
Глава 6. Периферийные устройства в модулях ядра .................................................................. 466
Поддержка шинных устройств в модуле ................................................................................... 466
Анализ оборудования .................................................................................................................. 468
Подсистема udev .................................................................................................................. 473
Идентификация модуля ....................................................................................................... 477
Ошибки идентификации модуля ........................................................................................ 479
Устройства на шине PCI ............................................................................................................. 480
Подключение к линии прерывания .................................................................................... 491
Отображение памяти ........................................................................................................... 492
DMA ...................................................................................................................................... 493
Устройства USB ........................................................................................................................... 499
Некоторые технические детали .......................................................................................... 499
Поддержка в Linux ............................................................................................................... 501
Пара слов о USB-модемах ................................................................................................... 503
Устройства USB в коде модуля .......................................................................................... 506
Многофункциональные USB-устройства .......................................................................... 514
Устройства в пространстве пользователя .................................................................................. 520
Аппаратные порты ............................................................................................................... 521
Особенности доступа ........................................................................................................... 526
Проект libusb ........................................................................................................................ 527
GPIO ...................................................................................................................................... 536
Глава 7. Расширенные возможности программирования ............................................................... 543
Операции с файлами данных ...................................................................................................... 544
Запуск новых процессов из ядра ................................................................................................ 552
Сигналы UNIX ............................................................................................................................. 554
Вокруг экспорта символов ядра... .............................................................................................. 561
Неэкспортируемые символы ядра ...................................................................................... 564
Использование неэкспортируемых символов ................................................................... 572
Подмена системных вызовов .............................................................................................. 576
Добавление новых системных вызовов ............................................................................. 584
Скрытый обработчик системного вызова .......................................................................... 591
Динамическая загрузка модулей ................................................................................................ 600
...из процесса пользователя ................................................................................................. 601
...из модуля ядра ................................................................................................................... 609
Подключаемые плагины ...................................................................................................... 613
Обсуждение .................................................................................................................................. 623
Глава 8. Отладка в ядре ................................................................................................................ 628
Отладочная печать ....................................................................................................................... 629
Интерактивные отладчики .......................................................................................................... 629
Отладка в виртуальной машине.................................................................................................. 632
Отдельные отладочные приемы и трюки .................................................................................. 635
Модуль, исполняемый как разовая задача ......................................................................... 635
Тестирующий модуль .......................................................................................................... 637
Интерфейсы пространства пользователя к модулю .......................................................... 640
Комплементарный отладочный модуль ............................................................................. 642
Пишите в файлы протоколов... ........................................................................................... 645
Некоторые мелкие советы в завершение ........................................................................... 645
Чаще перезагружайте систему!.................................................................................. 645
Используйте естественные POSIX-тестеры .............................................................. 646
Тестируйте чтение сериями ....................................................................................... 646
Заключение ................................................................................................................... 647
Приложение 1. Краткая справка по утилите make ............................................... 649
Приложение 2. Тесты распределителя памяти ..................................................... 652
Приложение 3. Четыре способа записи в защищенную страницу ..................... 666
Описание проблемы .................................................................................................................... 666
Отключение страничной защиты: ассемблер ............................................................................ 667
Отключение страничной защиты: API ядра .............................................................................. 668
Снятие защиты со страницы памяти .......................................................................................... 670
Наложение отображения участка памяти .................................................................................. 671
Тест выполнения .......................................................................................................................... 672
Обсуждение .................................................................................................................................. 674
Позднее дополнение .................................................................................................................... 675
Источники информации ............................................................................................ 677
Предметный указатель .............................................................................................. 681
Об авторе ....................................................................................................................... 685
