writing-char-drivers

キャラクタードライバーの作成

目的

Linux のキャラクターデバイス実装について、エージェントをガイドします。struct file_operations、cdev の登録、安全なユーザー空間へのコピー、ioctl の設計、基本的な mmap を扱い、skills/kernel/device-drivers より踏み込んだ内容に焦点を当てます。

使用する場面

• ハードウェアを /dev/mydev として公開する
• カーネルから read／write／poll を実装する
• 型安全なマクロを使って ioctl コマンドを定義する
• デバイスの MMIO をユーザー空間にマッピングする（慎重に行ってください）

ワークフロー

1. キャラクターデバイスの登録

#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define MY_MAJOR 0   /* 0 = dynamic alloc */
#define MY_MINOR 0

static dev_t devno;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *class;

static const struct file_operations my_fops = {
    .owner          = THIS_MODULE,
    .open           = my_open,
    .release        = my_release,
    .read           = my_read,
    .write          = my_write,
    .unlocked_ioctl = my_ioctl,
    .llseek         = no_llseek,
};

static int __init my_init(void)
{
    int ret = alloc_chrdev_region(&devno, MY_MINOR, 1, "mydev");
    if (ret)
        return ret;

    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    ret = cdev_add(&my_cdev, devno, 1);
    if (ret)
        goto err_cdev;

    class = class_create("mydev");
    device_create(class, NULL, devno, NULL, "mydev");
    return 0;

err_cdev:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    return ret;
}

最近のドライバーでは、probe 内で devm_* バリアントを使うことがよくあります。

2. 安全なユーザー空間 I/O

static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf,
                       size_t count, loff_t *ppos)
{
    char kbuf[128];
    ssize_t len;

    if (*ppos >= sizeof(kbuf))
        return 0;
    len = min(count, sizeof(kbuf) - *ppos);
    memcpy(kbuf, "data", 4);
    if (copy_to_user(buf, kbuf + *ppos, len))
        return -EFAULT;
    *ppos += len;
    return len;
}

__user ポインターを直接参照しないでください。

3. ioctl のパターン

#include <linux/ioctl.h>

#define MY_IOC_MAGIC 'k'
#define MY_IOC_RESET  _IO(MY_IOC_MAGIC, 0)
#define MY_IOC_SET    _IOW(MY_IOC_MAGIC, 1, int)

static long my_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch (cmd) {
    case MY_IOC_RESET:
        return 0;
    case MY_IOC_SET: {
        int val;
        if (copy_from_user(&val, (void __user *)arg, sizeof(val)))
            return -EFAULT;
        return 0;
    }
    default:
        return -ENOTTY;
    }
}

固定サイズの構造体には _IOWR を使用してください。bi-arch では compat_ioctl を優先してください。

4. mmap（デバイスメモリ）

static int my_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;
    phys_addr_t phys = device_phys_base;

    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);
    return remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phys >> PAGE_SHIFT,
                           size, vma->vm_page_prot);
}

明示的なサイズ制限と権限チェックを設けた場合に限り、DMA バッファーの mmap を優先してください。

5. poll／非同期 I/O

ブロッキング読み取りには poll と wake_up_interruptible を実装してください。SIGIO には fasync_helper を使用してください。

6. エージェントの使用方法

/writing-char-drivers Add unlocked_ioctl SET_SPEED to existing platform driver

よくある問題

症状	原因	対処法
-EFAULT	不正なユーザーポインター	access_ok（古いカーネルの場合）を検証するか、copy_* に任せる
ENOTTY	ioctl のマジック値が不一致	ユーザー空間の ioctl.h に合わせる
メジャー番号の競合	静的メジャー番号が使用済み	alloc_chrdev_region を使用する
mmap で SIGSEGV	デバイスへのキャッシュ済みマッピング	pgprot_noncached
ioctl 内でスリープする	スピンロックを保持している	ブロックする前にロックを解除する

関連スキル

• skills/kernel-dev/platform-device-model — probe のコンテキスト
• skills/kernel/device-drivers — ドライバーのライフサイクル全体
• skills/kernel/kernel-concurrency — file ops におけるロック
• skills/kernel-dev/kernel-debugging-advanced — ioctl の経路をトレースする
• skills/low-level-programming/linux-kernel-modules — モジュールのひな形