2. 임베디드 커널 프로그래밍

2.1 시스템 콜

1. 시스템 콜

1) 시스템 콜

- 운영체제가 제공하는 서비스에 대한 프로그래밍 인터페이스

- 보통 C 또는 C++과 같은 고급 언어로 만들어지고, 직접 시스템 콜을 호출하기 보다는 고급 API를 통해 접근한다.

 

2) 시스템 콜의 절차

① 유저 프로세스에서 라이브러리 (fork())를 호출한다.

② 라이브러리에서 mvl 2가 eax 레지스터에 저장되고, 0x80 인터럽트를 일으킨다.

③ Interrupt Vector Table에 0x80을 찾아가 시스템 콜 주소를 찾는다

④ 시스템 콜에서 인덱스 값을 넣어 시스템 콜 테이블에 있는 sys_fork()를 실행 시킨다.

 

 

3) 시스템 콜 추가 절차

① 시스템 호출 번호 할당

- (커널 소스 위치)/arch/(CPU Architecture)/include/asm/unistd_32.h 파일 편집

ㄴ #define __NR_newsyscall XXX

② 시스템 호출 테이블 등록

- (커널 소스 위치)/arch/(CPU Architecture)/kernel/syscall_table_32.S 파일 편집

ㄴ .long sys_newsyscall

③ 시스템 콜 헤더파일 수정

- (커널 소스 위치)/include/linux/syscall.h 파일 편집

ㄴ asmlinkage long newsyscall(int i)

④ 시스템 호출 함수 작성

- (커널 소스 위치)/kernel 내 함수 생성

⑤ 커널 리빌드

- Makefile 수정 및 커널 소스 전체 리빌드

 

2.2 스레드 동기화

1. 스레드

1) 스레드

- 세미 프로세스 혹은 경량 프로세스라고 불림

- 하나의 프로세스 안에 다수의 스레드를 구성하고 자원을 공유하는 방법이다.

 

2) 포직스(POSIX) 스레드 라이브러리

① 포직스 스레드 라이브러리

- 대부분의 운영체제가 지원하는 스레드 생성/종료 및 제어 API를 제공하는 라이브러리

- 포직스 스레드를 사용하기 위해서는 pthread.h 헤더 파일을 포함해야한다.

 

② 라이브러리 지원 함수

- 생성

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg)

ㄴ thread : 스레드 구분을 위한 식별자 번호. 생성 성공 시 고유번호 부여

ㄴ attr : 생성될 스레드 특성 정의

ㄴ start_routine : 실제 스레드에서 실행될 스레드 함수

ㄴ arg : 스레드에 전달할 인자

 

- 종료

int pthread_join(pthread_t th, void **thread_return)

ㄴ th : 정리하고자 하는 스레드의 식별자

ㄴ thread_return : 프로세스에게 반환할 값

 

void pthread_exit(void *retval)

 

- 분리 : pthread_create 함수로 생성된 스레드를 별도 분리 시켜 종료 즉시 스스로 자원을 해제하게 함

int pthread_detach(pthread_t th)

ㄴ th : 분리 시킬 스레드의 식별자

 

2. 세마포어

1) 세마포어

- 다중 프로세스 환경에서 자원 사용에 대한 상호배제와 동기화를 구현하는 기술

 

2) 포직스(POSIX) 세마포어 라이브러리

① 포직스(POSIX) 세마포어 라이브러리

- 포직스 세마포어를 사용하기 위해서는 semaphore.h 헤더 파일을 포함해야한다.

 

② 라이브러리 지원 함수

- 생성

int sem_int(sem_t* sem, int pshared, unsigned int value)

ㄴ sem : 초기화 할 세마포어

ㄴ pshared : 세마포어의 상태 결정 (0인 경우 thread 만 공유)

ㄴ value : 세마포어 초기 값

 

- 획득 : 임계영역 진입 후 세마포어 값 감소

int sem_wait(sem_t *sem)

 

- 반환 : 세마포어 값 증가

int sem_post(sem_t *sem)

 

- 종료 : 세마포어 리소스 해제

int sem_destroy(sem_t *sem)

 

3. 뮤텍스

1) 뮤텍스

- 상호 배제의 약어로 여러 쓰레드를 실행하는 환경에서 접근 제한을 위한 동기화 메커니즘

- 특정 영역에 하나의 쓰레드만 진입 할 수 있도록 제어

 

2) 포직스(POSIX) 뮤텍스 라이브러리

① 포직스 뮤텍스 라이브러리

- 포직스 뮤텍스를 사용하기 위해서는 pthread.h 헤더 파일을 포함해야한다.

 

② 라이브러리 지원 함수

- 생성

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr *attr)

ㄴ mutex : 초기화 하려는 뮤텍스 객체

ㄴ attr : 뮤텍스 객체에 부가되는 특성

 

- 종료

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex)

 

- 획득

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)

 

- 반환

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

 

4. 스핀락

1) 스핀락

- 임계 구역에 진입이 불가할 경우 진입 가능할 때까지 루프를 돌면서 재시도 하는 방식

 

2) 커널 사용 스핀락 라이브러리

① 커널 사용 스핀락 라이브러리

- 커널에서 스핀락 함수를 사용하기 위해서는 spinlock.h 헤더 파일을 포함해야한다.

 

② 라이브러리 지원 함수

- 생성

DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t sl)

 

- 획득

ㄴ 인터럽트 상태 저장 & 비활성화

spin_lock_irqsave(spinlock_t *sl, unsigned long flags)

 

ㄴ 인터럽트 비활성화

spin_lock_irq(spinlock_t *sl, unsigned long flags)

 

- 반환

ㄴ 인터럽트 상태 복원 & 활성화

spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *sl, unsigned long flags)

 

ㄴ 인터럽트 활성화

spin_unlock_irq(spinlock_t *sl, unsigned long flags)

 

2.3 네트워크 프로그래밍

1. TCP

1) TCP

- Transmission Control Protocol의 약어로 IP 프로토콜 기반 신뢰성 전송을 제공하는 연결 지향 프로토콜

 

2) TCP 헤더 구조

- Source Port : 송신자의 연결 포트

- Destination Port : 수신자의 연결 포트

- SEQ # : 순차 전송 포트

- ACK # : 확인 응답 번호

- Data offset : 현재 세그먼트 내의 위치

- Reserved : 예약

- Flags : 통신 제어를 위한 명령 플래그

- Window : 수신자의 버퍼 공간 관리 메커니즘

- Checksum : 헤더 정합성 체크

- Urgent : 긴급 데이터 처리 정보

- Option and Padding : 옵션 및 패딩

 

3) TCP 통신 절차도

- socket() : 소켓을 생성한다.

- bind() : 생성된 소켓에 로컬 IP와 포트를 바인딩

- listen() : 생성된 소켓에 바인딩 된 IP/Port에서 연결을 기다림

- connect() : 소켓을 통해 통신 대상 호스트에 연결

- accept() : 연결 요청이 온 소켓을 받아들임

- send(), recv() : 전송, 수신

- close() : 소켓 연결 종료

 

4) TCP 통신 소스 예제

#inclue <sys/socket.h>
#include <arph/inet.h>

int main(){
	struct sockaddr_in client_addr, server_addr;
	int ssock, csock;
    
	int clen = sizeof(client_addr)
    
	if((ssock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0){
		perror("socket error");
		exit(1);
	}
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	server_addr.sin_port = htons(7777);
    
	if(bind(ssock, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr)) < 0){
		perror("bind error");
		exit(1);
	}
    
	if(listen(ssock, 8) < 0 ){
		perror("listen error");
		exit(1);
	}
    
	while(1){
		csock = accept(ssock, (struct sockaddr *) &client_addr, &clen);        
		write(ssock, "hello", 6);
		close(csock);       
	}
    
	return 0;

}

 

2. UDP

1) UDP

- User Datagram Protocol의 약어로 단방향 통신 프로토콜이다.

- 비연결지향형 프로토콜이다.

 

2) UDP 헤더 구조

- Source Port Number :  송신자 호스트의 포트 번호

- Destination Port Number : 수신자 호스트의 포트 번호

- Total Length : UDP Header와 Data 길이를 합한 바이트 수

- Checksum : 수신 데이터 오류 검사를 위한 체크섬

 

3) UDP 통신 절차도

- TCP와 유사하나 클라이언트의 connect 과정이 생략되며, 서버의 listen, accept 과정이 생략된다.

 

3. TFTP

1) TFTP

- Trival File Transfer Protocol의 약어로 FTP와 마찬가지로 파일을 전송하기 위한 프로토콜이지만, FTP보다 더 단순한 방식으로 파일을 전송

- UDP를 이용하여 작동한다.

- 임베디드 시스템 개발 시 개발 호스트와 타깃 보드 사이에 데이터를 전송할 때 사용한다.

2.4 개발 도구

1. 컴파일

1) 컴파일

- 인간이 이해할 수 있는 언어로 작성된 소스 코드를 CPU가 이해할 수 있는 언어로 번역(변환)하는 작업을 말한다

 

2) 컴파일 과정

- 전처리 : 소스코드의 주석 및 헤더파일 병합, 매크로를 치환함

- 컴파일러 : 오류처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

- 어셈블러 : 어셈블리어를 기계어 코드로 변환하는 도구

- 링커 : 기계어 코드를 하나로 묶고 필요 정보를 재배치

 

2. 컴파일 옵션

1) Gcc 컴파일러 컴파일 옵션

① -o : output 파일을 지정

② -I : 대문자 아이, 컴파일에 필요한 include 된 header 파일 위치 (디렉토리) 지정

③ -l : 소문자 엘, 컴파일에 필요한 라이브러리 파일 지정

④ -L : 컴파일에 필요한 라이브러리 디렉토리 지정

⑤ -D : 심볼에 대한 값을 지정. #define과 같은 기능

⑥ -c : .o로 오브젝트 파일을 생성

⑦ -O : 컴파일 최적화 단계 지정

 

 

# References

- https://wiki.kldp.org/KoreanDoc/html/EmbeddedKernel-KLDP/system-call-table.html

- http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?m_temp1=1889

- https://okky.kr/questions/1392134

- https://dahye-jeong.gitbook.io/til/network/2021-07-11-transport-layer

- https://nenunena.tistory.com/61

- https://blog.naver.com/ehdrhs1004/220336249951

- https://velog.io/@narangke3/%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC-%EA%B3%BC%EC%A0%95