Writing drivers for KolibriOS/ru

Пишем драйвер для КолибриОС

Вступление

Предупреждение 1. Прежде чем писать драйвер, хорошо подумайте, нельзя ли обойтись средствами прикладных API, в частности, функций работы с оборудованием 41-46 и 62. Во-первых, от ошибки в кривом приложении пострадает только это кривое приложение, а кривой драйвер способен без особого труда обрушить всю систему. Во-вторых, для приложений можно вылавливать баги в отладчике mtdbg, обладающем определёнными возможностями, а для драйверов этот путь закрыт (разве что встроенный отладчик эмулятора Bochs, но он заведомо непригоден для отладки с реальным железом), так что единственным средством остаётся отладочный вывод на доску отладки board со всеми недостатками.

Далее допустим, что вы всё ещё читаете эту статью. Мало ли, может, вы всегда пишете код с первого раза безошибочно (чего только на свете не бывает), или в совершенстве владеете отладкой прямо в мозгу и считаете всякие отладочные средства баловством, или просто считаете, что настоящий мужчина (настоящая леди?) не боится трудностей и несколькими строчками текста вас не напугать.

Предупреждение 2. Драйвера, естественно, тесно связаны с ядром. А в ядро КолибриОС вносятся изменения несколько раз в неделю. Разумеется, большинство изменений никак не касается драйверной подсистемы, но иногда добавляются/исчезают/изменяются важные системные функции, экспортируемые драйверам. Поэтому если вы возьмёте и скомпилируете прилагаемый к статье код, то, возможно, он прямо в таком виде работать не будет. Так что внимательно читайте текст - я постараюсь выделить по возможности все причины неработоспособности в будущем и требуемые модификации. Прилагаемый к статье код рассчитан на ревизию svn.450, последнюю на момент написания этих строк (в дистрибутиве 0.6.5.0 работать в таком виде не будет).

Вообще-то основная задача драйверов - обеспечить работу с оборудованием. Но поскольку эта статья ставит своей целью показать принципы работы драйверов, а для реализации основной задачи нужно много кода, работающего именно с железом и не имеющего никакого отношения к драйверной подсистеме, то процесс написания драйвера показан на следующем примере: создадим драйвер, перехватывающий и записывающий все обращения приложений к файловой системе, и управляющую программу, которая получает данные от драйвера и отображает их. В качестве средства разработки используется FASM. Архив к статье находится здесь.

Драйвер

Специально для желающих написать свой драйвер предоставляется каркас драйвера. Он находится в svn-репозитории вместе с ядром, точнее, в папке svn://kolibrios.org/kernel/trunk/drivers. В исходниках дистрибутива 0.6.5.0 этот путь соответствует папке kernel/drivers. Ну что же, давайте посмотрим (sceletone.asm из svn.450):

<asm>

;;

Copyright (C) KolibriOS team 2004-2007. All rights reserved. ;;

Distributed under terms of the GNU General Public License  ;;

;;

driver sceletone

format MS COFF

include 'proc32.inc' include 'imports.inc' </asm>

Ну, "Copyright" - он и есть копирайт, комментарий в следующей строке извещает нас, куда же мы собственно попали, это неинтересно. Дальше мы должны известить компилятор, какой формат мы хотим получить. Драйвера должны иметь формат объектных файлов COFF. Вот это и сказано. Матерное (для кого-то) слово посередине всего лишь означает (не подумайте ничего плохого!), что используется расширение формата COFF, введённое Microsoft и позволяющее указывать у секций атрибуты типа "writeable". В общем, так должно быть для всех драйверов. Дальше идёт включение вспомогательных файлов. proc32.inc содержит макросы для определения и вызова стандартных процедур (proc/endp, stdcall/ccall/invoke/cinvoke, local для создания локальных переменных) и находится в той же папке, что и sceletone.asm. Его можно включать или не включать, макросы оттуда можно использовать или не использовать, в этой статье они используются, чтобы не усложнять восприятие (вообще говоря, при стремлении к максимальной эффективности использование макросов может повредить, но это тема отдельных жарких споров). imports.inc содержит объявления для всех экспортируемых функций ядра. Загляните туда, ничего сложного там нет, просто куча стереотипных конструкций. На самом деле (в смысле того, как разрешается импорт при загрузке драйвера) список всех экспортируемых функций и данных ядра находится в файле core/exports.inc (метка kernel_export), так что если вам как программисту ядра вдруг понадобиться что-нибудь своё экспортировать, лезьте туда (ну и imports.inc отредактируйте из вежливости к другим).

Внимание! Здесь появляется возможность несовместимости: если вы используете какие-нибудь функции, которых (ещё или уже) нет в ядре, на которое вы рассчитываете, ядро откажется грузить ваш драйвер (ругнувшись на доске отладки нехорошим словом на ненашем языке "unresolved" с указанием имени функции).

Ну что же, идём дальше:

<asm> OS_BASE equ 0; new_app_base equ 0x60400000 PROC_BASE equ OS_BASE+0x0080000 </asm>

Константа OS_BASE означает адрес загрузки ядра. Для "официального" ядра (в частности, в 0.6.5.0) это 0, для "плоского" ядра это 0x80000000 - вот вам ещё одна несовместимость. Имейте в виду, что в будущем (возможно даже, что в скором) "плоское" ядро станет (хотя, может быть, и не станет - мало ли что?) "официальным", так что не рассчитывайте, что OS_BASE всегда будет нулём. Константа new_app_base означает линейный адрес, по которому загружаются приложения: все приложения загружаются по одному и тому же адресу, наложения не происходит, поскольку каждый процесс имеет свою таблицу страниц, при этом каждое приложение искренне уверено, что загружено по нулевому адресу - это достигается за счёт сегментной адресации - в 3-кольце селекторы cs/ds/es/ss имеют базу new_app_base, а в 0-кольце (в ядре и драйверах) - нулевую базу. Таким образом, для перевода адреса в приложении в указатель ядра нужно прибавить к нему new_app_base (если непонятно, почему, примите это как факт). С new_app_base несовместимость ещё хуже: в 0.6.5.0 она равна 0x60400000, в svn.450 - уже 0x80000000, в "плоском" ядре просто 0 (собственно, потому оно и "плоское", что использует плоскую модель памяти). Как узнать конкретные значения OS_BASE и new_app_base для данного ядра? Очень просто - они прописаны именно под такими именами в const.inc (из исходников ядра), так что достаточно найти их там. Третья из определяемых констант нужна для отвода глаз, в данном случае она не используется. Кстати, карта памяти Колибри располагается в memmap.inc из исходников ядра.

Едем дальше:

<asm> struc IOCTL { .handle dd ?

  .io_code     dd ?
  .input       dd ?
  .inp_size    dd ?
  .output      dd ?
  .out_size    dd ?

}

virtual at 0

 IOCTL IOCTL

end virtual </asm>

Это просто объявление структуры (махинации с virtual - стандарт для FASM).

<asm> public START public service_proc public version </asm>

Выше мы импортировали из ядра нужные нам функции (imports.inc). А теперь мы даём ядру знать о себе. Начнём с конца. Переменная version, объявленная гораздо ниже в тексте, - это... нет, не версия драйвера, как можно было бы подумать! Это версия драйверного интерфейса, которую этот драйвер понимает. Ещё точнее, в одном dword закодированы два кода версии. Младшее слово в текущей реализации ядра не проверяется никак, но туда следует помещать номер версии интерфейса, "родной" для драйвера. Старшее слово означает минимальную версию, с которой драйвер ещё может работать. Это слово должно лежать на отрезке от DRV_COMPAT до DRV_CURRENT, константы определены в исходниках ядра в core/dll.inc, в 0.6.5.0 обе эти константы равны 3, в svn.450 интерфейс уже изменился и теперь обе константы равны 4. Для чего нужны все эти сложности? Дело в следующем. Изменения в драйверной подсистеме могут быть следующих типов: полная или частичная переделка одной из базовых концепций; удаление одной из экспортируемых функций ядра; модификация функции (вчера функция принимала аргумент в стеке, а сегодня для эффективности аргумент передаётся в регистре; или добавился ещё какой-то аргумент; или изменился смысл аргументов и т.п.); добавление функции. В первом и третьем случае, собственно, ничего не поделаешь, драйверы переписывать надо. Второй тоже приводит к несовместимости. Но обидно перекомпилировать все драйвера только из-за того, что появилась новая функция, без которой эти драйвера прекрасно обходились. Вот и поддерживается загрузка "устаревших, но не слишком" драйверов.

<asm> version dd 0x00030003 </asm>

Каркас драйвера рассчитан на... версию 3, т.е. с текущим ядром он не пойдёт! Дело в том, что этот каркас в общем-то не обновлялся (если не считать копирайта) с 0.6.5.0, так что new_app_base и version остались старые. Попутно отмечу, что старшее слово - это первая тройка, а младшее - вторая в силу обратного расположения байт в слове и слов в двойном слове (вообще-то я уверен, что вы и так это знаете, но для очистки совести...)

Процедура START - это процедура, которая вызывается системой при загрузке драйвера и при завершении работы. В первом случае она должна инициализировать драйвер, во втором - наоборот. О ней речь пойдёт чуть позже.

Процедуру service_proc экспортировать совершенно ненужно, о её размещении ядро узнаёт по другим каналам, о ней речь пойдёт ещё позже.

Последняя порция констант

<asm> DEBUG equ 1

DRV_ENTRY equ 1 DRV_EXIT equ -1 STRIDE equ 4 ;size of row in devices table </asm>

(из которых первая включает код отладочного вывода в блоках if DEBUG/end if, две следующие характеризуют возможные значения аргумента у процедуры START, последняя нужна для красоты и ни для чего больше) и мы наконец-то переходим к изучению кода:

<asm> section '.flat' code readable align 16 </asm>

означает ровно-таки то, что написано;

<asm> proc START stdcall, state:dword

          cmp [state], 1
          jne .exit

.entry:

    if DEBUG
          mov esi, msgInit
          call SysMsgBoardStr
    end if

          stdcall RegService, my_service, service_proc

ret .fail: .exit:

          xor eax, eax
          ret

endp </asm>

Это код процедуры инициализации/финализации. При загрузке драйвера она вызывается с аргументом DRV_ENTRY = 1 и должна вернуть ненулевое значение при успехе. При завершении системы она вызывается с аргументом DRV_EXIT = -1. В нашем случае драйвер не работает ни с каким железом, так что ни инициализации никакого железа, ни вообще никакой финализации нет, а есть только минимально необходимые действия, чтобы драйвер считался загруженным, а именно, регистрация. Функция RegService экспортируется ядром и принимает два аргумента: имя драйвера (до 16 символов, включая завершающий 0) и указатель на процедуру обработки I/O, а возвращает 0 при неудаче или (ненулевой) зарегистрированный хэндл при успехе. Кстати, как узнать, что делает та или иная экспортируемая функция? Допустим, нам позарез нужно выделить пару страниц памяти ядра. Лезем в исходники ядра, файл core/exports.inc, просматриваем экспортируемые имена (они осмысленны) и видим szKernelAlloc. Пролистываем вниз до метки kernel_export и ищем szKernelAlloc - обнаруживаем, что ему соответствует процедура kernel_alloc. Теперь ищем реализацию kernel_alloc, она обнаруживается в core/heap.inc. Комментариев около функции нет, но есть объявление proc, из которого следует, что функция принимает один аргумент size типа dword. Теперь по названию ясно, что kernel_alloc выделяет память ядра в размере, равном единственному аргументу. Причём первые же три строчки кода функции показывают, что размер выравнивается вверх на границу 4096 (т.е. размер одной страницы), следовательно, функция выделяет некоторое целое количество страниц, а размер задаётся в байтах.

Дальше идёт процедура обработки запросов service_proc:

<asm> handle equ IOCTL.handle io_code equ IOCTL.io_code input equ IOCTL.input inp_size equ IOCTL.inp_size output equ IOCTL.output out_size equ IOCTL.out_size

align 4 proc service_proc stdcall, ioctl:dword

mov edi, [ioctl]

mov eax, [edi+io_code]

xor eax, eax ret endp

restore handle restore io_code restore input restore inp_size restore output restore out_size </asm>

Процедура обработки запросов вызывается, когда какой-то внешний код возжаждал общения именно с нашим драйвером. Это может быть как другой драйвер (формально драйвер может вызывать сам себя через механизм I/O, но смысла в этом нет), надыбавший где-то наш хэндл и вызвавший ServiceHandler, или даже само ядро (srv_handler, srv_handlerEx из core/dll.inc), так и приложение функцией 68.17 (хэндл приложение может добыть при загрузке драйвера функцией 68.16). Нулевое возвращаемое значение означает успех, ненулевое соответствует ошибке. Вначале определяем сокращённые имена для членов структуры, описывающей запрос. В поле handle содержится хэндл драйвера (такой же, как и возвращаемое значение RegService), io_code - dword-идентификатор запроса, остальные поля вопросов вызывать не должны. Возвращаемое значение напрямую передаётся вызвавшему нас коду (драйвер/ядро/приложение). В конце восстанавливаем значения, переназначенные было на короткие имена членов структуры. В данном случае это без надобности, но в случае сложных драйверов короткие имена типа "input" запросто могут встречаться не один раз.

Дальше в sceletone.asm содержится код поиска заданного оборудования на PCI-шине, нам он без надобности, при необходимости разберитесь сами.

Итак, с каркасом драйвера разобрались. А теперь будем писать свой драйвер. Начало стандартное:

<asm>

;;

Copyright (C) KolibriOS team 2004-2007. All rights reserved. ;;

Distributed under terms of the GNU General Public License  ;;

;;