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デバイスドライバ開発に入門してみた

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概要

最近、デバイスドライバ関係の業務にアサインされました。
理解を深めるため、簡単なデバイスドライバを実装してみました。
今回実装したのは、キャラクタデバイスです。また、最小の実装を試しただけで、実際のハードの制御はしていません。

他にもブロックデバイス、ネットワークデバイスがありますが、今回は触れません。

動作環境

本記事では、以下の環境で動作を確認しています。

  • カーネル : 5.15.0-1084-raspi
  • OS : Ubuntu 22.04
  • カーネルヘッダがインストール済み
    • 例: Debian/Ubuntu: sudo apt-get install build-essential linux-headers-"$(uname -r)"

後述のソースコードを make でビルドし、insmod/rmmod でロード/アンロードして動作を確認しています。

実装したデバイスドライバ

ソースコードは以下です。

https://github.com/shu-kitamura/device-driver/tree/main/mydev

以下の2種類のデバイスドライバを実装しました。

  • mydev_log.c - デバイスに書き込まれたデータをカーネルログに出力します。
    動作例
    echo "hello kernel" > /dev/mydev
dmesg | tail -n 5  # mydev: write 'hello kernel' (len=...) が出力される
  • mydev_buf.c - デバイスに書き込まれたデータをバッファに保持して、後から読み戻せます。
    動作例
    echo -n "abc" >/dev/mydev
sudo cat /dev/mydev # abc が出力される

上記の動作例を実行する場合、権限の問題で以下を実行する必要があるかもしれません。

chmod 666 /dev/mydev

実装した関数

以下の6種類の関数を実装することで、デバイスドライバとして動作させることができました。

  • init
    ドライバがロードされるときに実行される関数
    主に以下の動作をしています。
    • alloc_chrdev_region(関数) で major/minor 番号を確保します。
      カーネルはここで確保した番号でデバイスを認識しています。
    • class_create, device_create(関数) で udev 経由で /dev/mydev が作成されるようにする。
    • cdev_init/cdev_add(関数) で cdev を初期化して file_operations を関連付け
      file_operations は open/read/write/release されたときに実行する関数を登録しておく構造体です。
      以下のような構造体では open されたときに mydev_open が実行されます。
      static const struct file_operations fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = mydev_open,
    .release = mydev_release,
    .read    = mydev_read,
    .write   = mydev_write,
};
  • exit
    ドライバがアンロードされるときに実行される関数
    デバイスの削除や init 時に確保した番号の解放を行っています。
  • open
    デバイスファイルが開かれたときに実行される関数
  • release
    デバイスファイルが閉じられたときに実行される関数
  • read
    デバイスファイルが read されたときに実行される関数
    例えば以下が実行されたときに動きます
    cat /dev/mydev
  • write
    デバイスファイルが write されたときに実行される関数
    例えば以下が実行されたときに動きます
    echo "hello" > /dev/mydev

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