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
You cannot post new topics in this forum You cannot reply to topics in this forum You cannot edit your posts in this forum You cannot delete your posts in this forum You cannot vote in polls in this forum You cannot attach files in this forum You can download files in this forum
![[Quote]](./templates/default/images/lang/en/icon_quote.gif "Reply with quote"){kind=icon}
![[Profile]](./templates/default/images/lang/en/icon_profile.gif "View user's profile"){kind=icon}
![[PM]](./templates/default/images/lang/en/icon_pm.gif "Send private message"){kind=icon}
