Linuxデバイスドライバ開発：/procにソースを配置すればビルド不要？💻

はじめに (対象読者・この記事でわかること)

この記事は、Linuxカーネルプログラミングに興味がある開発者、デバイスドライバ開発を学びたい方、システムプログラミングの基礎を理解している方を対象にしています。

本記事を読むことで、Linuxデバイスドライバの基本構造、/procファイルシステムの役割、ビルド不要なドライバの実現可能性について理解を深めることができます。また、実際のドライバ開発手順やよくある問題点、その解決方法についても学べます。特に、「/procにソースを配置すればビルドなしで機能するのか」という疑問に答え、Linuxデバイスドライバ開発の正しいアプローチを理解することができます。

前提知識

この記事を読み進める上で、以下の知識があるとスムーズです。 - C言語の基本的な知識 - Linuxコマンドラインの基本的な操作 - カーネルモジュールの基本的な概念 - Makefileの基本的な知識

Linuxデバイスドライバ開発と/procファイルシステム

Linuxデバイスドライバ開発において、/procファイルシステムは重要な役割を果たします。/procは、仮想ファイルシステムの一種であり、カーネルデータをユーザー空間からアクセス可能にするためのインターフェースを提供します。デバイスドライバ開発では、/procを利用してデバイス情報の表示や設定変更を行うことが一般的です。

しかし、「/proc以下にソースを配置すればビルドなしで機能する」という考えには誤解があります。/procに配置されるのは、コンパイル済みのドライバコードやその出力結果であり、ソースコードそのものではありません。ソースコードを配置しても、カーネルが直接実行できる形式ではないため、機能しません。

実際には、Linuxデバイスドライバはカーネルモジュールとしてコンパイルされ、insmodやmodprobeコマンドを使用してカーネルにロードする必要があります。このプロセスは、ソースコードからオブジェクトファイル(.ko)を生成するビルド工程を必要とします。

デバイスドライバ開発の基本手順

Linuxデバイスドライバ開発には、いくつかの基本的な手順があります。ここでは、シンプルな文字デバイスドライバの開発例を通じて、そのプロセスを説明します。

ステップ1：ドライバの基本構造の作成

まず、基本的なドライバの構造を作成します。以下は、簡単な文字デバイスドライバのソースコード例です。

C

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

#define DEVICE_NAME "mydrv"

static int major_number;
static struct class* char_class = NULL;
static struct cdev my_cdev;

static int mydrv_open(struct inode *inodep, struct file *filep) {
    printk(KERN_INFO "mydrv: デバイスが開かれました\n");
    return 0;
}

static int mydrv_release(struct inode *inodep, struct file *filep) {
    printk(KERN_INFO "mydrv: デバイスが閉じられました\n");
    return 0;
}

static ssize_t mydrv_read(struct file *filep, char __user *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    printk(KERN_INFO "mydrv: 読み取り要求\n");
    return 0;
}

static ssize_t mydrv_write(struct file *filep, const char __user *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    printk(KERN_INFO "mydrv: 書き込み要求\n");
    return len;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = mydrv_open,
    .read = mydrv_read,
    .write = mydrv_write,
    .release = mydrv_release,
};

static int __init mydrv_init(void) {
    printk(KERN_INFO "mydrv: ドライバ初期化開始\n");

    // メジャー番号の割り当て
    major_number = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);

    if (major_number < 0) {
        printk(KERN_ALERT "mydrv: メジャー番号の登録に失敗しました\n");
        return major_number;
    }

    printk(KERN_INFO "mydrv: メジャー番号 %d を登録しました\n", major_number);

    // デバイスクラスの作成
    char_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);

    if (IS_ERR(char_class)) {
        unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);
        printk(KERN_ALERT "mydrv: デバイスクラスの作成に失敗しました\n");
        return PTR_ERR(char_class);
    }

    // デバイスの作成
    if (IS_ERR(device_create(char_class, NULL, MKDEV(major_number, 0), NULL, DEVICE_NAME))) {
        class_destroy(char_class);
        unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);
        printk(KERN_ALERT "mydrv: デバイスの作成に失敗しました\n");
        return PTR_ERR(device_create(char_class, NULL, MKDEV(major_number, 0), NULL, DEVICE_NAME));
    }

    return 0;
}

static void __exit mydrv_exit(void) {
    device_destroy(char_class, MKDEV(major_number, 0));
    class_unregister(char_class);
    class_destroy(char_class);
    unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "mydrv: ドライバ終了\n");
}

module_init(mydrv_init);
module_exit(mydrv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Kousukei");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");
MODULE_VERSION("0.1");

ステップ2：Makefileの作成

次に、このソースコードをコンパイルするためのMakefileを作成します。

Makefile

obj-m += mydrv.o

all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

ステップ3：ドライバのビルドとロード

作成したソースコードとMakefileを使って、ドライバをビルドします。

Bash

make

これにより、mydrv.koというカーネルオブジェクトファイルが生成されます。次に、このファイルをカーネルにロードします。

Bash

sudo insmod mydrv.ko

ドライバが正常にロードされたか確認するには、以下のコマンドを使用します。

Bash

lsmod | grep mydrv
dmesg | tail

ステップ4：デバイスファイルの作成とテスト

ドライバがロードされたら、デバイスファイルを作成します。

Bash

sudo mknod /dev/mydrv c $(grep mydrv /proc/devices | awk '{print $1}') 0

デバイスファイルが正しく作成されたか確認します。

Bash

ls -l /dev/mydrv

最後に、デバイスをテストします。簡単なテストとして、以下のコマンドを実行します。

Bash

echo "test" > /dev/mydrv
cat /dev/mydrv

これにより、ドライバの読み取りと書き込み機能がテストされます。

ハマった点やエラー解決

ドライバ開発中に遭遇する一般的な問題とその解決方法を以下に示します。

問題1：カーネルコンパイルエラー

症状: makeコマンド実行時にカーネルコンパイルエラーが発生する 原因: カーネルヘッダーがインストールされていない、またはカーネルバージョンが不一致 解決策:

Bash

sudo apt-get install linux-headers-$(uname -r)

問題2：デバイスファイルの権限問題

症状: デバイスファイルにアクセスしようとすると「Permission denied」エラーが発生する 原因: ユーザーがデバイスファイルにアクセスする権限を持っていない 解決策:

Bash

sudo chmod 666 /dev/mydrv

または、udevルールを作成してデバイスファイルの権限を自動設定します。

問題3：シンボルの解決に失敗

症状: カーネルモジュールのロード時に「unresolved symbol」エラーが発生する 原因: 使用している関数が現在のカーネルバージョンでサポートされていない 解決策: - 使用している関数が現在のカーネルバージョンでサポートされているか確認 - 必要に応じて、古いカーネルAPIを使用しないようにコードを修正

問題4：モジュールの依存関係

症状: モジュールのロード時に依存関係の問題が発生する 原因: モジュールが依存している他のモジュールがロードされていない 解決策: - modprobeコマンドを使用して依存関係を自動解決 - 必要に応じて、依存モジュールを事前にロード

/procファイルシステムの正しい利用方法

/procファイルシステムは、デバイスドライバ開発において重要な役割を果たしますが、その利用方法を理解することが重要です。

/procエントリの作成

デバイスドライバから/procにエントリを作成するには、以下の手順を踏みます。

C

#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>

static int mydrv_proc_show(struct seq_file *m, void *v) {
    seq_printf(m, "My Device Driver Information\n");
    seq_printf(m, "Status: Running\n");
    return 0;
}

static int mydrv_proc_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    return single_open(file, mydrv_proc_show, NULL);
}

static const struct file_operations mydrv_proc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = mydrv_proc_open,
    .read = seq_read,
    .llseek = seq_lseek,
    .release = single_release,
};

static int __init mydrv_init(void) {
    // ... 以前のコード ...

    // /procエントリの作成
    proc_create("mydrv_info", 0, NULL, &mydrv_proc_fops);

    return 0;
}

static void __exit mydrv_exit(void) {
    // ... 以前のコード ...

    // /procエントリの削除
    remove_proc_entry("mydrv_info", NULL);
}

このコードにより、/proc/mydrv_infoというエントリが作成され、アクセスするとデバイス情報が表示されます。

/procファイルシステムの限界

/procファイルシステムは、デバイスドライバの代替として機能しません。/procは主にカーネル情報の表示や設定に使用されるものであり、実際のデバイス操作には不向きです。デバイスドライバが必要な機能を実現するには、やはりカーネルモジュールとしてコンパイル・ロードする必要があります。

まとめ

本記事では、Linuxデバイスドライバ開発における/procファイルシステムの役割と、ビルド不要なドライバの実現可能性について解説しました。

• /procにソースコードを配置しても、ドライバとして機能しない：/procは仮想ファイルシステムであり、実行可能なコードを直接配置することはできない
• デバイスドライバは必ずカーネルモジュールとしてコンパイル・ロードする必要がある：ソースコードから.koファイルを生成し、insmodやmodprobeでロードする
• /procはデバイス情報の表示や設定に利用できる：ドライバから/procエントリを作成し、デバイス情報をユーザー空間からアクセス可能にできる
• デバイスドライバ開発には、カーネルプログラミングの知識が必要：ドライバ開発にはC言語、LinuxカーネルAPI、デバイスドライバの基本概念に関する知識が必要

この記事を通して、Linuxデバイスドライバ開発の基本と、/procファイルシステムの正しい利用方法について理解が深まったことと思います。今後は、より高度なドライバ開発技術や、デバイスドライバのデバッグ方法についても記事にする予定です。

参考資料

• Linux Device Drivers (LDD3)
• The Linux Kernel Documentation
• Linux Device Drivers - The Linux Kernel Archives
• Writing a Simple Linux Character Device Driver