Xenomai의 커널 공간 프로그래밍

실시간 디바이스 드라이버 작성

개요

실시간 시스템에서는 디바이스 드라이버가 시스템의 핵심 역할을 한다. Xenomai는 리눅스 커널과 협력하여 실시간 성능을 제공하며, 이를 위한 실시간 디바이스 드라이버를 작성하는 방법을 다룬다.

필요 조건

Xenomai 커널 모듈을 작성하기 위해서는 다음과 같은 조건이 필요하다:

Xenomai와 리눅스 커널이 설치되어 있어야 한다.
GCC 컴파일러와 커널 헤더 등이 필요하다.

RTDM 소개

RTDM(Real-Time Driver Model)은 Xenomai에서 실시간 디바이스 드라이버를 작성하기 위한 프레임워크이다. 이는 다음과 같은 특징을 갖는다:

커널과 사용자 공간에서 동일한 인터페이스를 제공한다.
표준 POSIX API와 호환된다.

드라이버 등록

RTDM 기반의 드라이버는 rtdm_driver 구조체를 사용하여 정의되며, 이 구조체는 드라이버의 주요 특성을 지정한다.

struct rtdm_driver my_driver = {
    .profile_info       = RTDM_PROFILE_INFO(my_device,
                              RTDM_CLASS_SERIAL,
                              RTDM_SUBCLASS_16550A,
                              0),
    .device_flags       = RTDM_NAMED_DEVICE,
    .device_count       = 1,
    .context_size       = sizeof(struct my_context),
    .ops = {
        .open       = my_open,
        .close      = my_close,
        .ioctl_nrt      = my_ioctl,
        .read_rt        = my_read,
        .write_rt       = my_write,
    },
};

주요 함수 구현

open 함수

디바이스가 열릴 때 실행되는 함수이다.

int my_open(struct rtdm_fd *fd, int oflags) {
    // 디바이스 초기화 코드
    return 0;
}

close 함수

디바이스가 닫힐 때 실행되는 함수이다.

int my_close(struct rtdm_fd *fd) {
    // 디바이스 정리 코드
    return 0;
}

read 함수

디바이스에서 데이터를 읽어올 때 사용된다.

ssize_t my_read(struct rtdm_fd *fd, void __user *buf, size_t nbyte) {
    // 데이터 읽기 코드
    return 0;
}

write 함수

디바이스에 데이터를 쓸 때 사용된다.

ssize_t my_write(struct rtdm_fd *fd, const void __user *buf, size_t nbyte) {
    // 데이터 쓰기 코드
    return 0;
}

인터럽트 처리

실시간 성능을 보장하기 위해 디바이스의 인터럽트를 처리하는 방법이다.

int my_interrupt_handler(rtdm_irq_t *irq_handle) {
    // 인터럽트 처리 코드
    return RTDM_IRQ_HANDLED;
}

디바이스 등록 및 해제

디바이스 드라이버를 커널에 등록하고 해제하는 방법이다.

int __init my_init(void) {
    int ret;

    ret = rtdm_dev_register(&my_device);
    if (ret)
        return ret;

    return 0;
}

void __exit my_exit(void) {
    rtdm_dev_unregister(&my_device, 1000);
}

모듈 초기화와 종료 함수를 적절히 등록한다.

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

RTDM과 사용자 공간

RTDM 드라이버는 사용자 공간에서 접근할 수 있다. 이를 위해 표준 POSIX API를 사용하며, 사용자 공간 프로그램이 디바이스 파일을 통해 드라이버와 상호작용할 수 있도록 한다.

int main() {
    int fd = open("/dev/rtdm/my_device", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return -1;
    }

    // 드라이버와 상호작용
    char buffer[100];
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    write(fd, "Hello", 5);

    close(fd);
    return 0;
}

성능 최적화

인터럽트 처리는 가능한 한 짧고 빠르게 처리해야 한다.
공유 자원 접근 시 뮤텍스나 세마포어를 사용한다.
CPU 캐시와 메모리 사용량을 최적화한다.

디버깅

디바이스 드라이버를 디버깅하는 것은 어렵지만, Xenomai와 RTDM은 이를 위한 몇 가지 도구를 제공한다.

printk 함수: 커널 로그에 메시지를 출력한다.
Xenomai's tracing and debugging tools: 실시간 작업의 수행을 분석하는 도구를 제공한다.
GDB: 커널 디버깅을 지원한다.

예제 드라이버

#include <rtdm/rtdm_driver.h>

#define DEVICE_NAME "my_rtdm_device"

static rtdm_irq_t my_irq_handle;

struct my_device_context {
    // 드라이버 상태와 관련된 데이터
};

static int my_open(struct rtdm_fd *fd, int oflags) {
    // 디바이스 초기화 코드
    return 0;
}

static int my_close(struct rtdm_fd *fd) {
    // 디바이스 정리 코드
    return 0;
}

static ssize_t my_read(struct rtdm_fd *fd, void __user *buf, size_t nbyte) {
    // 데이터 읽기 코드
    return 0;
}

static ssize_t my_write(struct rtdm_fd *fd, const void __user *buf, size_t nbyte) {
    // 데이터 쓰기 코드
    return 0;
}

static int my_interrupt_handler(rtdm_irq_t *irq_handle) {
    // 인터럽트 처리 코드
    return RTDM_IRQ_HANDLED;
}

static struct rtdm_driver my_driver = {
    .profile_info = RTDM_PROFILE_INFO(DEVICE_NAME,
                                      RTDM_CLASS_SERIAL,
                                      RTDM_SUBCLASS_16550A,
                                      0),
    .device_flags = RTDM_NAMED_DEVICE,
    .device_count = 1,
    .context_size = sizeof(struct my_device_context),
    .ops = {
        .open = my_open,
        .close = my_close,
        .read_rt = my_read,
        .write_rt = my_write,
    },
};

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("RTDM Example Driver");

이 예제는 Xenomai의 RTDM 프레임워크를 사용하여 간단한 디바이스 드라이버를 구현한 것이다. 이를 통해 실시간 성능을 보장하는 디바이스 드라이버를 만들 수 있다.

Xenomai는 실시간 시스템 개발을 위한 강력한 도구이며, RTDM 프레임워크를 통해 실시간 디바이스 드라이버를 손쉽게 작성할 수 있다. 이 장에서는 실제 드라이버 개발에 필요한 기본적인 개념과 예제를 살펴보았다. 이를 바탕으로 실시간 성능을 보장하는 다양한 디바이스 드라이버를 개발할 수 있다.