Linux Device Driver I & II

Question 1

Unterschied Modul und Driver

Answer 1

A kernel module is a bit of compiled code that can be inserted into the kernel at run-time, such as with insmod or modprobe.

A driver is a bit of code that runs in the kernel to talk to some hardware device.

Question 2

Vorteile Module

Answer 2

Geringerer Ressourcen-Verbrauch im Kernel.
Einfache Treiberentwicklung (es ist kein ständiges Rebooten notwendig)

Question 3

Aufgaben der Funktion init_module()?

Answer 3

Modul bei Kernel-Subsysteme anmelden
 IO-Subsystem (Treiber)
 PCI
 Sys-Filesystem
 proc-Filesystem
Initialisierung von Ojekten (z.B. Waitqueues)
Reservieren von Ressourcen

Question 4

Aufgaben der Funktion cleanup_module()

Answer 4

Freigeben der allozierten Systemressourcen

Abmelden des Moduls beim System

Question 5

Wo speichert der Kernel Consolenausgaben?

Wie sind diese aufrufbar?

Answer 5

log_buffer -> klogd

etc/syslogd -> syslogd

Question 6

Als was ist ein Treiber im Kernel repräsentiert?

Answer 6

Als ein Object
Instantiierung der struct file_operations
Registrieren des Objekts beim Chardev-Subsystem.
Grundprinzip: Für jede Applikationsfunktion gibt es eine
Funktion (Methode) im Kernel-Treiber-Objekt:

Question 7

Wie werden Treiber eindeutig identifiziert?

Answer 7

Der Treiber meldet sich beim IO-Subsystem unter einer
eindeutigen Kennung (Major-Nummer) an.
Auf der User-Ebene gibt es eine Zuordnung zwischen dieser Major-Nummer und einem (Geräte-) Dateinamen (Aribut der Datei).
Im Kernel sind Major- und Minornummern durch eine 32-Bit breite Gerätenummer ersetzt worden.

Question 8

Vorteile Funktionen oder gar ganze Applikationen im Kernel ablaufen zu lassen?

Answer 8

• Zeit – Kontextwechselzeit – eingespart

- verbesserte Reaktionszeit.

Question 9

Was wird im Begriff »asynchrone Verarbeitung« zusammengefasst.

Answer 9

Interrupts werden asynchron zur App ausgeführt.

Question 10

Was passiert beim eintreffen eines Interrupts?

Answer 10

Wird ein Interrupt ausgelöst, unterbricht die CPU sofort die aktuelle Verarbeitung und springt in eine Interrupt-Service-Routine (ISR)

Question 11

Welche Funktion muss der Entwickler bei Treiber Entwicklung berücksichtigen

Answer 11

ISR Programmieren um mit Interrupts in einer Funktion umzugehen.
Diese werden beim einbinden beim Kernel registriert, der dann aufgerufen wird.

Question 12

Was beinhaltet die Funktion requestirq

Answer 12

• die Interruptnummer,
• die Adresse der aufzurufenden Funktion (ISR),
• ein Flag,
• einen Namen als Kennung für den Treiber
• frei wählbare Kennung für das Gerät (dev_id).

Question 13

Welche Interrupts dürfen sich schlafen legen welche nicht?

Answer 13

Nicht: HardIR, Tasklet
Allowed: Software IR, Kernel Threads

Question 14

Was muss bei der Verwendung von Tasklets beachtet werden?

Answer 14

Race Condition -> Treiber entladen bevor Tasklet ausgeführt wurde.
Lösung: TaskletKill in modexit

Question 15

Wie funktionieren Timer SoftIR?

Answer 15

• Anzahl periodischer Timerinterrupts.
• Im Zähler mit dem Namen jiffies gezählt.
• Alloc timer_list ptimer
• Übergabe function, data und expires an struct.
• add_timer -> ausführung
• del_timer_sync -> löschen Timer

Question 16

Gleicher Treiber ruft von unterschiedlichen Stellen das Timer Tasklet auf. Wie wird sichergestellt das es zu keine crash kommt?

Answer 16

spin_lock_irqsave

Question 17

Können sich Kernel Threads schlafen legen?

Answer 17

Ja

Question 18

Was ist ein Kernel Thread?

Answer 18

Kernel-Thread entspricht einem Thread auf User-Ebene
Unterschied: Wird im Kernel abgearbeitet.
Wird gescheduled

Question 19

Wie werden die Kernel Threads aufgerufen?

Answer 19

SystemCall

Question 20

Warum hilft der Befehl fork im Kernel Thread nichts?

Answer 20

Sobald der System Call beendet ist wird die Bearbeitung im User Kontext fortgesetzt.
Verwende kernel_thread

Question 21

Wie funktioniert kernel_thread()?

Answer 21

Kopie des aktiven Prozesses Threads

Funktion wird übergeben beim Scheduling

Question 22

Wie lange werden Kernel Threads ausgeführt?

Answer 22

Da Kernel-Threads im Kernel-Level ablaufen, bekommen sie die CPU so lange zugeteilt, bis sie sich schlafen legen (wait_event oder wait_event_interruptible) oder beenden
!-> Alle anderen müssen warten

Question 23

Wie wird ein Kernel Thread schlafen bzw geweckt?

Answer 23

• (wait_event oder wait_event_interruptible
• wake_up_interruptible
• Unterbrechen des Wartens durch das Senden eines Signals

Question 24

In welchem Zustand muss sich der Kernel Thread befinden um von einem Signal unterbrechbar zu sein?

Answer 24

TASK_INTERRUPTIBLE

Question 25

Was sind Workqueues?

Answer 25

Konkurieren mit Tasklets (nicht so hochprior)

Kernel Thread mit einer Queue und seq abarbeitung von Funktionen

Question 26

Funktionen von Workqueues?

Answer 26

• create_workqueue()
  static struct work_struct work_object;
• INIT_WORK( &work_object, work_queue_function, NULL);
• queue_work einhängen Object in Workqueue.
• destroy_workqueue

Question 27

Was Event Workqueue?

Answer 27

Standardmäßig initialisierte Queue für jede CPU der Funktionen abarbeiten kann

• schedule_work
• flush_scheduled_work.

Question 28

Welcher Schutz vor Kernel Race Conditions stehen zur Verfügung?

Answer 28

Atomare Integer-Operationen
Atomare Bit-Operationen
Semaphore
Interruptsperre
Spinlocks

Question 29

Befehl für atomic operations?

Answer 29

atomic_t index = ATOMIC_INIT(0);
atomic_set( &index, 4 );
old_index=atomic_read( &index );

Question 30

Warum werden Spinlocks gebraucht?

Answer 30

Schützen von kritischen Abschnitten im ISR Kontext Hardirqs; Softirqs die sich nicht schlafen legen dürfen

Question 31

Was ist der Kthread-Daemon

Answer 31

Der Kthread-Daemon ist selbst ein Kernel-Thread, in dessen Kontext der Kind-Thread erzeugt wird.
Eindeutiger Kontext

Question 32

Warum gibt es Funktionen wie spin_lock_irqsave und spin_lock_irq

Answer 32

Wenn ein kritischer Bereich geschützt wird ist oftmals nicht ersichtlich in welchem Kontext. Z.B eine Funktion disabled interrupts eine nicht. Damit die Methode nicht einfach die Interrupts wieder frei gibt wird der Kontext gespeichert und wiederhergestellt.

Question 33

Was ist Reordering? Welche Probleme enstehen dadurch und wie werden sie gelöst?

Answer 33

x Threads -> CPU oder Compiler ändern Ausführungsreihenfolge.

Lösung:
Spinlocks/Semaphore
Besser: Memory Barriers

Question 34

Was sind High vs Low Level Driver?

Answer 34

„low level“-Treiber greifen direkt auf die Hardware zu.
„high level“-Treiber nutzen Funktionen, die ihnen die „core driver“ zur Verfügung stellen. USB-Geräte greifen beispielsweise nie selbst direkt auf Hardware zu.

Question 35

Wie funktioniert Manuelle Ressourcen-Detektion Hardware-Anbindung?

Answer 35

Treiber spezifiziert die Geräte (Vendor- und Device-ID + Probe“ „Remove“ Funktion.
Treiber meldet sich beim PCI-Subsystem an.
Ist Hardware vorhanden, wird Probefunktion von PCI Subsystem aufgerufen. Der Treiber bekommt die zu
allozierenden Ressourcen mitgeteilt.
Nachdem die Ressourcen alloziert wurden, ist der „low level“ Zugriff möglich.

Question 36

Was ist der Unterschied zwischen non blocking und asynchronous?

Answer 36

Non-blocking > if an answer can’t be returned rapidly, the API returns immediately with an error and does nothing else. So there must be some related way to query whether the API is ready to be called(select poll)

Asynchronous means that the API always returns immediately, having started a “background” effort to fulfil your request, so there must be some related way to obtain the result.(callback)

Question 37

Nenne die 9 relevanten Treiberfunktionen die wir verwendet haben

Answer 37

open(), close(), read(), write()

ioctl(), select()/poll(), fcntl(), seek()

Question 38

Was macht die Funktion ioctl()?

Answer 38

Universal-Funktion zur Kommunikation mit dem Treiber.

Unterstützt frei definierbare Kommandos mit frei definierbaren Parametern

Question 39

Was macht die Funktion mmap()

Answer 39

Funktion, um Speicherbereiche eines Geräts (Hardware) in den Adressraum einer Applikation einzublenden.
Damit kann die Applikation performant (ohne Übergang in den Kernel-Mode) auf Hardware (-Register) zugreifen.

Question 40

Was macht die Funktion select()/poll()

Answer 40

Funktion um festzustellen, ob an einem oder an mehrerenGeräten (Dateien oder Netzverbindungen) Daten zum Lesen bereit liegen bzw. Daten geschrieben werden können.

Question 41

Was macht die Funktion lseek()?

Answer 41

Mit dieser Funktion kann in einer Datei (bzw. bei einem
Blockdevice) gezielt ein bestimmtes Byte gelesen bzw.
geschrieben werden

Question 42

Welche zwei Zugriffsarten gibt es auf Geräte?

Answer 42

blocking und non blocking

Question 43

Mit welchem Code wird non- und blocking Zugriff erreicht?

Answer 43

if(ReadPossible && instance->f_flags&O_NOBLOCK)
return -EGAIN

if(wait_event_interruptable(wq_reqd, READ_POSSIBLE)
return -ERESTARTSYS