初めての組み込みLinuxドライバ開発

Linuxは、マルチタスク、仮想メモリ、共有ライブラリ、メモリ管理、TCP/IP等ネットワーク機能を持ち、従来のUNIXと同じコマンド、プログラミング・インターフェースを持つUNIXライクなOSです。ほとんどのLinuxシステムはPCで使用されていますが、組み込みシステムとしても信頼性が高く、便利で安全なシステムといえます。

この約10年の間に、一般にシステムの小型化が進みました。これに伴って、組み込みシステムも小型化され、ネットワーク接続の実装などにより、システムがより複雑化し、オペレーティング・システム（OS）の機能が求められるようになりました。そこで組み込みシステム上で動作するOSとしてLinuxが登場したわけです。

組み込みシステム上で動作するOSとして、Linuxには以下のようなメリットがあります。

・ ソースが入手可能
・ ロイヤリティフリー
・ デバイスドライバが豊富
・ ネットワークプロトコルスタックやミドルウェアが豊富
・ 安定しているOS
・正式にサポートされているCPUアーキテクチャが豊富 – x86、Alpha、SPARC、68K、PowerPC、ARM、SH、MIPSなど

組み込みシステムは、周辺ハードウエアとマイコンが密接に関連しています。ハードウエアをコントロールするためには、デバイスドライバを作成しなければなりません。μITRONなどのRTOSでは、アプリケーションが直接ハードウエアにアクセスできる構造となっているため、デバイスドライバの定義自体がなく、標準的なAPIも用意されていません。μITRONなどのRTOSは、アプリケーションからハードウエアをアクセスする自由度は高いですが、悪く言えば野放し状態であり、アプリケーションの1つのバグにより、システムを止めてしまうことも頻繁に起こります。

Linuxのデバイスドライバは、OSの起動時にメモリ上に読み込まれて常駐し、周辺装置からのハード的な割り込みによって駆動される、OSに付属する一種のサブルーチン群です。

Linuxのカーネル自体はきわめてシンプルなマイクロカーネル・アーキテクチャによるものです。Linuxの基本的な機能であるネットワークおよびファイルシステムなどは、モジュール形式でカーネル最上部に置かれています。

これに追加されるドライバーは、実行時にロード可能なモジュールとして作成されます。カーネルと一緒にコンパイルされて1つのオブジェクトとして組み込まれる「スタティックリンク方式」と、実行時に必要に応じてメモリへ展開する「ローダブル方式」があります。（後半で取り上げます。）

Linuxに関連するデバイスには、主に次のようなものがあります。

これは、「シーケンシャルアクセス」、「バイト単位の入出力」の様な、1バイト単位のデータの入出力を行うデバイスです。

これは、「ランダムアクセス」、「ブロック単位の入出力」の様な、ある決められたブロック単位でのデータの入出力を行うデバイスです。主にストレージなどで使用します。「ファイルシステムを構成できるデバイス」とも言うことができます。


Linuxでは、これらの全てのデバイスを、ファイルシステムの1ファイルとして扱います。つまり、デバイスを認識して、初期化する作業を、ファイルをopen する作業として行い、デバイスからデータを読み込む作業では、ファイルをread する作業として行うと言うことです。

上位アプリケーションは、システムコールというＯＳとのインターフェースを使ってファイル単位の入出力要求を行います。アプリケーションからはデバイスドライバの存在は見えず、唯一、「/dev/xxx」というデバイスを仮想化したデバイススペシャルファイルが見えるだけです。

アプリケーションがデバイスへのアクセス要求を出した場合、カーネルは、デバイススペシャルファイルで定義された番号を用いて、実際のドライバ関数を示すデバイスドライバテーブルを検索します。この番号は、「メジャー番号」と呼ばれており、デバイス毎に割り当てるものです。
また、メジャー番号の他に、「マイナー番号」があります。これは、例えばシリアルデバイスの様に、COM1、COM2など、ポートだけが異なり、同一のデバイスドライバを使用する場合に使用されます。

マイナー番号も、デバイススペシャルファイルに記述されていますが、この番号は、カーネルがデバイスドライバを呼び出す際に、引数としてそのままドライバへ渡されます。ドライバ側では、マイナー番号をポート番号として扱い、呼び出されたポート番号を判別するために使用できます。この定義は、ドライバ側で自由に決めることができます。

デバイスドライバは以下の３つの部分から構成されます。

これは、OSの起動時にカーネルから1度だけコールされる部分で、ハードウェアの存在チェックを行った後、自分自身をデバイスドライバとしてOSに認識させます。

これは、上位から（間接的に）コールされる部分で、アプリケーションがopen,read のシステムコールを発行すると、カーネルから当該関数がコールされます。カーネルからの周辺装置との入出力要求を実行し、その結果をカーネルに返します。

ハードウェア割り込みによって駆動されるハンドラ部分です。


例えば、read()メソッドにより、外部のハードウエアから情報を読み取る場合、アプリケーションは標準APIをコールします。これを受けて、システムコールライブラリのread()メソッドがコールされ、データ転送の要求をi/oデバイスに対して発行します。通常は、メモリ空間にマッピングされたi/oデバイスのレジスタに、要求の書き込みを行うことで発行が行われます。

i/oデバイスは、要求されたデータをデータ読み出しのためのレジスタ、あるいはメモリ空間にセットし、準備が完了すると割り込みにより、カーネルへ通知を行います。

通知を受けたカーネルは、トップハーフルーチンを呼び出しi/oデバイスが準備したデータの読み出しを行います。実際は、処理をボトムハーフルーチンに委ね、ここがi/oデバイスのレジスタをアクセスして、データを取得します。同期転送の場合、read()メソッドの中では、処理の終了を待つ「interrupible_sleep_on()」がコールされています。この場合は、このボトムハーフルーチンの終了を受けて、カーネルが待ちの解除を行います。

作成したデバイスドライバを使用するための手順について説明します。まず、デバイスドライバをカーネルに登録する必要があります。この登録とは、デバイススペシャルファイルに記述した「メジャー番号」と、そのデバイス操作のための関数を結びつける事を言います。

以下の4つは、デバイス操作のための主要なメソッドの内容です。

デバイスを扱うときに最初に実行される関数で、タイマー等、ドライバで使用するリソースの初期を行います。

デバイスがクローズされるときに呼び出されます。

デバイスからデータを取り出すために使用します。通常は、copy_to_userを使用してカーネル領域からユーザー領域にデータを転送します。処理が成功した場合には読み出したバイト数を戻り値として返します。

データをデバイスに送るために使用します。通常は、copy_from_userを使用してユーザー領域からカーネル領域にデータを転送します。処理が成功した場合、書き込んだバイト数を戻り値として返します。

デバイスドライバを組み込んで使用する方法として、Linuxでは2通りの方法が提供されています。

この方法では、スタティックなメモリ領域にドライバが常駐することになり、安全性の高い組み込み方法ですが、メモリを多く消費してしまう欠点があります。μITRONや通常のRTOSのほとんどは、この方法で組み込みを行っています。

Linuxには、ローダブルモジュールを使用するためのコマンドが用意されています。

では、LEDの点灯を制御するドライバを組み込んで、アプリケーションから利用する方法をご覧頂きます。ここでは、コンソールからのコマンドにより、ローダブルモジュールとして、コンパイル後のLEDドライバモジュール「led_driver.o」を組み込みます。

まず、ドライバモジュールのファイルパスを指定して組み込みます。ドライバが初期化されると、応答メッセージ「hello!LED_DRIVER」を返すようになっています。

組み込まれたかをコマンドにより、確認してみます。これには、lsmodコマンドを使用します。

メジャー番号を調べてみましょう。catコマンドにより、組み込まれたデバイスをリスト出力してみます。メジャー番号10に組み込まれていることが分かります。

LEDドライバは正しく組み込まれました。では、このLEDを操作するアプリケーションを作成してみます。このLEDをアクセスするためのデバイススペシャルファイルは、mkmodコマンドを使用して作成されます。このファイルは、/dev ディレクトリにリストされますが、仮想的なファイルであり、実体は持ちません。（下図A参照）

アプリケーションでは、このデバイススペシャルファイルをオープンして、LEDを点灯するための値（0x80）を書き込みます。操作は、通常のファイル操作と同じであり、open、write、close の各標準APIを使用して行います。この操作のソースコードを下に示します。（下図B参照）

このように、Linuxではデバイスをファイルの1つとして扱い、標準のAPIにより操作する方法を採っています。この仕組みにさえ従えば、容易にデバイスドライバを作成できることが体感頂けたかと思います。