Allocation de port � s�curit� int�gr�e pour pilotes de p�riph�riques Linux

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original in en Dr. B. Thangaraju

en to fr Guy Passemard

AboutTheAuthor:[A small biography about the author]

Dr. B. Thangaraju a obtenu son doctorat de Physique � l'universit� de Bharathidasan,Tamil Nadu. Pendant cinq ans, il a �t� chercheur associ� � l'Indian Institute of Science. Ses domaines de recherche ont �t� principalement : "Transparent and Conducting Oxide (TCO) thin films", "Spray Pyrolysis", "Photo Acoustic Techniques" et "p- to n- transition of Chalcogenide Glasses". Il a publi� dix articles concernant ses recherches dans des journaux de renomm�e internationale. Il a �galement pr�sent� les r�sultats de ses recherches dans plus de sept conf�rences nationales et internationales.

Il travaille � pr�sent comme "Manager in Talent Transformation" chez Wipro Technologies en Inde. Actuellement ses recherches pour l'�tude et le partage des connaissances portent sur le noyau Linux, les pilotes de p�riph�riques, et Linux temps r�el.

Abstract:[Here you write a little summary]

Ecrire un pilote de p�riph�rique est autant une t�che aventureuse qu'un d�fi. Une fois qu'un p�riph�rique est enregistr� dans la routine "init_module" d'un pilote, les ressources syst�me doivent lui �tre allou�es. Le port d'entr�e/sortie est l'une des ressources principales affect�e au p�riph�rique. Pour les p�riph�riques dynamiquement li�s, le d�veloppeur devra faire attention car il s'agit, dans ce cas, d'allouer une plage d'adresses de ports inutilis�s. Ainsi la premi�re t�che d'un pilote sera de v�rifier le nombre de ports actifs ou libres, pour ensuite allouer uniquement des ports libres au p�riph�rique. Enfin lorsque le module de gestion du p�riph�rique sera supprim� du noyau, les ports devront �tre lib�r�s. Cet article �tudie les m�andres de l'allocation de port � s�curit� int�gr�e pour les pilotes de p�riph�riques de Linux.

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Introduction

Le principal souci du d�veloppeur de pilote de p�riph�rique est l'allocation des ressources. Ces ressources sont les ports d'entr�e/sortie, la m�moire et la gestion des interruptions (IRQ). Cet article essaie d'expliquer les notions fondamentales du sous-syst�me de gestion des entr�es/sorties et l'importance de l'allocation des ressources aux ports d'entr�es/sorties. Cet article distingue clairement les �tapes de contr�les, d'affectation et de lib�ration des adresses de ports de p�riph�riques.

Les �lements mat�riel de base d'un ordinateur, tels que les ports, les bus et les contr�leurs, permettent de connecter la plupart des p�riph�riques d'E/S. Les pilotes de p�riph�riques offrent un acc�s uniformis� au sous-syst�me d'E/S, comparable aux appels syst�me qui proposent une interface standard entre les applications et le syst�me d'exploitation. Ainsi de nombreux p�riph�riques sont reli�s � l'ordinateur : par exemple, les dispositifs de stockage tels que les unit�s de disques, de bandes, les CD-ROM, et les disquettes, ou les interfaces avec l'utilisateur comme le clavier, la souris et l'�cran, sans oublier le mat�riel de communication comme les cartes r�seau et les modems. Malgr� la vari�t� des p�riph�riques propos�s, nous avons seulement besoin de comprendre quelques principes g�n�raux sur leur connexion et sur la mani�re dont le logiciel contr�le le mat�riel.

Concepts Fondamentaux

Un p�riph�rique est compos� de deux parties : l'une �lectronique appel�e contr�leur de p�riph�rique, et l'autre qui est m�canique. Le contr�leur communique avec l'ordinateur � travers le bus syst�me. Habituellement, un groupe d'adresses de ports (sans conflit) est affect� � chaque contr�leur. Les ports d'entr�e/sortie utilisent quatre jeux de registres nomm�s "status", "control", "data-in", "data-out". A la lecture des bits contenus dans le registre "status", l'ordinateur sait : si la commande en cours est termin�e, si un octet est pr�t � �tre lu ou �crit, ou s'il y a erreur. Le registre "control" est mis � jour par l'h�te lors du lancement d'une commande ou lors du changement de mode du p�riph�rique. Le syst�me peut acc�der aux donn�es gr�ce au registre "data-in" pour les entr�es et inversement en sortie avec le registre "data-out".

Donc, l'interface de base, entre le processeur et le p�riph�rique, est un ensemble de registres de contr�le et d'�tats. Quand le processeur ex�cute un programme et qu'il rencontre une instruction relative � un p�riph�rique, il ex�cute l'instruction en lan�ant une commande destin�e au p�riph�rique appropri�. Le contr�leur traite l'action demand�e et positionne les bits correspondants dans le registre "status" et attend. C'est le processeur qui doit v�rifier l'�tat du p�riph�rique jusqu'� la fin de l'op�ration. Par exemple, le pilote du port parall�le (utilis� par une imprimante) va p�riodiquement scruter l'�tat de l'imprimante pour v�rifier qu'elle est pr�te � recevoir des donn�es sinon il se mettra en attente laissant le processeur libre pour effectuer d'autres t�ches et recommencera jusqu'� ce que l'imprimante soit pr�te. Ce m�canisme de scrutation am�liore les performances et �vite au syst�me d'attendre inutilement l'activation du p�riph�rique sans rien faire d'autre.

Les registres ont des adresses fixes d�finies dans l'espace d'E/S. G�n�ralement celles-ci sont affect�es au d�marrage du syst�me, en fonction des param�tres d�finis dans un fichier de configuration d'installation du syst�me, ainsi une plage d'adresses peut �tre allou�e � chaque p�riph�rique statique. Le noyau contient donc les pilotes des p�riph�riques pr�sents et les plages d'adresses E/S de ports d'E/S peuvent �tre stock�es dans le r�pertoire proc. Vous pouvez v�rifier les plages d'adresses de ports des p�riph�riques pr�sents sur votre syst�me avec la commande $cat /proc/interrupts. La premi�re colonne affich�e indique la plage d'adresses des ports et la seconde le p�riph�rique propri�taire des ports. Certains OS sont capables de charger dynamiquement les pilotes en cours de fonctionnement du syst�me. Ainsi tout nouveau p�riph�rique peut �tre reconnu par le syst�me et contr�l� ou acc�d� par le module du pilote dynamiquement charg�.

Le concept de pilote de p�riph�rique est relativement abstrait, et il se situe au plus bas niveau du logiciel fonctionnant sur un ordinateur, puisqu'il est directement li� aux caract�ristiques mat�rielles du p�riph�rique . Un pilote ne g�re qu'un seul type de p�riph�rique. Ce type peut �tre caract�re, bloc ou r�seau. Si une application appelle un p�riph�rique, le noyau contacte le pilote de ce p�riph�rique. Le pilote envoie alors une commande � ce p�riph�rique. Le pilote n'est qu'une collection de fonctions avec de nombreux points d'entr�e comme open, close, read, write, ioctl, llseek, etc. Quand vous ins�rer un module la fonction "init_module()" est appel�e et lorsque le module est retir� c'est la fonction "cleanup_module()" qui est execut�e. Le p�riph�rique est enregistr� dans un pilote de la routine "init_module".

Un fois le p�riph�rique enregistr� dans init_module(), ses ressources telles que les ports E/S, la m�moire et les niveaux d'IRQ sont allou�s dans la fonction m�me, afin de permettre un fonctionnement correct du pilote. Si une adresse erron�e est allou�e, le noyau envoie un message segmentation fault. Par contre, dans le cas des ports E/S, le noyau n'enverra pas de message comme wrong I/O port. Pourtant, assigner des ports d�j� utilis�s par des p�riph�riques existants fera "tomber" le syst�me. Lorsque vous retirez le module, le p�riph�rique ne doit plus �tre enregistr�, c'est-�-dire que le nombre majeur redevient disponible et que les ressources sont lib�r�es dans la fonction clean_up module ( ).

Le travail le plus fr�quemment execut� par un pilote de p�riph�rique est la lecture et l'�criture sur les ports d'E/S. Ainsi il faut s'assurer que pour le pilote, l'usage des adresses de ports soit exclusif. Aucun autre p�riph�rique ne doit utiliser cette plage d'adresses. Pour en �tre certain le premier pilote devra v�rifier si l'adresse est disponible ou non. Lorsque le pilote constate que l'adresse est inutilis�e, il demande au noyau d'assigner la plage d'adresses � son p�riph�rique.

Allocation de port � s�curit� int�gr�e

Maintenant nous allons voir comment allouer et lib�rer les ressources affect�es aux p�riph�riques par les fonctions du noyau. L'approche pratique suivante est d�crite pour un noyau Linux 2.4. Ainsi ce qui suit n'est totalement applicable qu'� Linux, et dans une certaine mesure � des variantes d'UNIX.

Premi�rement, il s'agit de contr�ler la disponibilit� des plages d'adresses de ports avec la fonction :

int check_region (unsigned long start, unsigned long len);

La fonction renvoie z�ro si la plage d'adresses est disponible, sinon un nombre n�gatif ou un code erreur ( -EBUSY ou -EINVAL). La fonction accepte deux arguments : start est l'adresse de d�part d'une plage de ports, len est le nombre de ports dans la plage.

Une fois le port disponible, il doit �tre allou� au p�riph�rique par la fonction request_region.

struct resource *request_region (unsigned long start, unsigned long len, char *name);

Les deux premiers arguments sont les m�mes que ceux vus pr�c�demment, le pointeur de la variable caract�re name sert � d�finir le nom du p�riph�rique auquel l'adresse du port est allou�e. La fonction renvoie le type de pointeur � la structure "resource". Cette structure permet de d�crire l'�tendue des ressources et elle est d�clar�e dans le fichier <linux/ioport.h>. Voici la syntaxe de la structure : 
struct resource { 
        const char *name;  
        unsigned long start, end;  
        unsigned long flags; 
        struct resource *parent, *sibiling, *child;   
};
Lorsqu'un module est retir� du noyau, le port doit �tre lib�r� pour pouvoir �tre utilis� par d'autres p�riph�riques. Pour cela il faut utiliser la fonction release_region ( ) dans cleanup_module ( ). La syntaxe de la fonction est :

void release_region ( unsigned long start, unsigned long len);

Les arguments de cette fonction sont les m�mes que pr�c�demment. Il faut savoir que ces trois fonctions sont en fait des macros d�clar�es dans le fichier <linux/ioport.h>.

Exemple de code d'un pilote pour allocation de port de p�riph�rique

Le programme qui suit montre l'allocation et la d�allocation de ports pour un p�riph�rique charg� dynamiquement. 
#include <linux/fs.h.>
#include <linux/ioport.h.>

struct file_operations fops;
unsigned long start, len;
int init_module (void) 
{

 int status;
 start = 0xff90; 
 len   = 0x90;
 register_chrdev(254,"your_device",&fops);

 status =  check_region (start, len);
 if (status == 0) { 
     printk ("The ports are available in that range\n");   
     request_region(start,len,"your_device");
 } else {
     printk ("The ports are already in use. Try other range.\n");
     return (status);
 }
 return 0;
}

void cleanup_module (void) 
{
 release_region(start, len);
 printk ("ports are freed successfully\n");
 unregister_chrdev(254,"your_device");}
 printk (" your device is unregistered\n"); 
}

Pour �viter toute confusion, le contr�le et l'allocation dynamique du nombre majeur ont �t� omis. Une fois le port allou� avec succ�s, il est possible de v�rifier dans le r�pertoire proc :
$cat /proc/ioports

Les fonctions du noyau : options concernant les ports d'E/S

La gestion des ports d'E/S de Linux dispose de nombreuses fonctions. Leur utilisation d�pend de la place m�moire requise en lecture - �criture. Les ports peuvent �tre de 8, 16 ou 32 bits. Le noyau Linux dispose du fichier ent�te <asm/io.h> qui d�finit les fonctions d'E/S des ports. Les fonctions suivantes servent � la lecture (inx) et l'�criture (oux) de ports transmettant des donn�es de 8,16 ou 32 bits :



__u8 inb (unsigned int port);
void outb (__u8 data, unsigned int port);

__u16 inw (unsigned int port);
void outw(__u16 data, unsigned int port);

__u32 inl (unsigned int prot);
void outl (__u32 data, unsigned int port);


D'autre part, pour transmettre efficacement des cha�nes de caract�res on peut se servir des fonctions suivantes :


void insb(unsigned int port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned int port, void *addr, unsigned long count);


les donn�es sont lues ou �crites sur le port d�nomm� "port". "addr" repr�sente l'adresse m�moire du d�but de la cha�ne � transf�rer et "count" le nombre d'unit�s � transf�rer.


void insw(unsigned int port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned int port, void *addr, unsigned long count);

lit ou �crit des valeurs 16 bits sur un seul port 16 bits.


void insl(unsigned int port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned int port, void *addr, unsigned long count);

lit ou �crit des valeurs 32 bits sur un seul port 32 bits.

Remerciements

L'auteur remercie Monsieur Jayasurya V, Manager, Talent Transformation, Wipro Technologies, India, pour sa relecture critique du manuscrit.

R�f�rences