Major와 Minor Numbers

· 2261 words · 5 minute read

세마포어를 이용한 모듈 프로그래밍을 하던 중 Major, Minor 라는 개념이 등장하였다. 인터넷으로 찾은 커널 모듈 소스가 구버전 커널을 기준으로 한 까닭에, 커널 코드가 어떻게 변경되어 갔는지 히스토리를 삽질해 볼 수 있는 아주 좋은 기회다.

캐릭터 디바이스는 /dev 디렉토리에서 쉽게 확인할 수 있는데 파일의 속성에서 각 장치에 대한 속성은 맨 앞 문자를 통해 판단할 수 있다. 예를 들어, ‘c’를 포함하고 있다면 캐릭터 디바이스(character devices)를 위한 특수 파일로, ‘b’를 포함하고 있다면 블록 디바이스(block devices)로 식별할 수 있다. 아래와 같이 ls 명령어를 사용하면 각 디바이스 파일에 번호가 할당되어 있는 것을 알 수 있다.

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10

drwxr-xr-x   2 root    root           60 May 31 23:18 vfio
crw-------   1 root    root    10,    63 May 31 23:18 vga_arbiter
crw-------   1 root    root    10,   137 May 31 23:18 vhci
crw-rw----+  1 root    kvm     10,   238 May 31 23:18 vhost-net
crw-------   1 root    root    10,   241 May 31 23:18 vhost-vsock
crw-rw----+  1 root    video   81,     0 May 31 23:18 video0
crw-rw----+  1 root    video   81,     1 May 31 23:18 video1
crw-------   1 root    root    10,   130 May 31 23:18 watchdog
crw-------   1 root    root   246,     0 May 31 23:18 watchdog0
crw-rw-rw-   1 root    root     1,     5 May 31 23:18 zero

이 때, major number는 특정 디바이스에 할당된 드라이버를 식별한다. 예를 들어, /dev/zero는 드라이버 1이 관리하고 /dev/watchdog0은 드라이버 246이 관리한다. minor number는 드라이버가 맡고 있는 장치들을 분류하기 위한 것으로 아래와 같이 같은 major number를 가지고 있는 장치들을 분류할 때 사용한다.

1
2
3
4
5
6
7
8
9

➜  ~ ls -l /dev | egrep '^c.*.(\s)1,'
crw-rw-rw-  1 root    root     1,     7 May 31 23:18 full
crw-r--r--  1 root    root     1,    11 May 31 23:18 kmsg
crw-r-----  1 root    kmem     1,     1 May 31 23:18 mem
crw-rw-rw-  1 root    root     1,     3 May 31 23:18 null
crw-r-----  1 root    kmem     1,     4 May 31 23:18 port
crw-rw-rw-  1 root    root     1,     8 May 31 23:18 random
crw-rw-rw-  1 root    root     1,     9 May 31 23:18 urandom
crw-rw-rw-  1 root    root     1,     5 May 31 23:18 zero

버전 2.4 커널에서 devfs(device file system)라는 새 기능이 추가되었다. 만약 이 파일시스템 사용되면 디바이스 파일들을 그 전보다 훨씬 간단하게 관리할 수 있지만 호환성에 문제가 생긴다. 이에 대해서 자세히 알아보자.

devfs를 사용하지 않을 경우, 시스템에 드라이버를 새로 추가한다는 의미는 새로운 major number를 할당한다는 의미와 같다. 그래서 아래와 같은 코드를 이용해 직접 그 숫자를 할당해줘야 한다.

1
2
3
4
5

// return: success or failure(<0)
// major: major number being requested
// name: name of the device (which will appear in /proc/devices)
// fops: driver's entry point
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);

Major Number는 small integer 형태로서 캐릭터 드라이버 배열의 인덱스를 담당한다. 2.0 커널에서는 128개 디바이스에 대해, 2.2와 2.4에서는 256개 디바이스에 대한 인덱스를 가질 수 있으며 Minor Number의 경우 8비트를 가져 마찬가지로 256개 디바이스에 대한 인덱스를 가질 수 있다. 하지만 Minor Number는 위 함수에서 특별히 인자로 넘기지 않는데 이는 드라이버에서만 제한적으로 사용되는 숫자이기 때문에 그렇다.

드라이버를 커널 테이블에 등록하면 주어진 major number를 할당한다. 이후부터는 캐릭터 디바이스에 대한 파일 연산을 할 때마다 등록 시에 정의했던 file_operations 구조체의 각 함수들을 이용하게 된다. 하지만 코드가 아닌 실제 명령어를 통해 이러한 등록 과정을 아주 간단히 할 수가 있는데 그것이 바로 mknod 명령어이다.

1
2

$ mknod /dev/scull0 c 254 0
$ rm /dev/scull0

위처럼 major number가 254, minor number가 0인 캐릭터 디바이스(c)를 생성하고 해당 디바이스를 삭제할 수 있다. 하지만 이렇게 정적으로 디바이스를 관리하는 인덱스 번호를 할당할 필요가 있을까?

Dynamic Allocation of Major Numbers 🔗

몇몇 주요 장치들에 대한 인덱스 숫자는 정적으로 할당된다. 이러한 장치들에 대한 정보는 Documentation/admin-guide/devices.txt에서 찾을 수 있다. (책에는 Documentation/devices.txt라고 되어 있으나 커널 버전이 업되면서 경로가 바뀌었다.)

정적으로 Major Number를 할당하면 공식 커널 트리에 포함되어 유용하게 사용되는 경우에만 할당해야 하며, 그렇지 않으면 반드시 동적으로 할당하는 방법을 사용해야 한다. 하지만 동적으로 Major Number를 할당하는 방법의 단점은 디바이스 노드를 생성할 수 없다는 것이다. 항상 같은 번호를 할당받을 수 없기 때문인데 이 말은 즉슨, loading-on-demand 방식을 사용할 수 없다는 말과 같다. 하지만 이러한 특징은 일반적인 사용에 있어서 크게 문제가 되지는 않는다. 앞서 설명했던 것처럼 /proc/devices의 정보를 사용하면 되기 때문이다.

동적으로 생성하는 방법은 아래와 같은 코드를 이용하면 된다. 이 때, scull_major 값을 0으로 주어지면 동적 할당을 사용한다는 의미이다.

1
2
3
4
5
6
7
8

result = register_chrdev(scull_major, "scull", &scull_fops);
if (result < 0) {
    printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %d\n", scull_major);
    return resul;t
}
if (scull_major == 0) scull_major = result; /* dynamic */

unregister_chrdev(scull_major, "scull");

이 때, 코드 마지막에 위치하는 unregister_chrdev 사용에 있어서 실패했을 경우를 염두에 두어야 한다. 등록 해제(unregister_chrdev)가 실패했을 때는 그 영향에 대해 주의해야 한다./proc/devices 자체가 실패할 수 있는데 그 이유는 이미 해제된 장치에 대해 이름을 가리키는 포인터가 잘못될 수 있기 때문이다.

kdev_t and dev_t 🔗

본래 유닉스에서는 16비트 정수 형태로 dev_t안에 디바이스 번호를 담고 있었는데 오늘날에는 이것이 minor number의 최대치인 256보다 더 많은 인덱스 숫자를 한번에 요구하는 경우가 생기게 되었다. 하지만 하위 호환성을 위해서 dev_t자체의 구조를 변경하지는 못하고 있다.

리눅스에서는 이와 달리 kdev_t라는 약간 다른 타입을 사용한다. 블랙박스 형태로 설계되었기 때문에 사용자 애플리케이션은 kdev_t에 대해 완전히 알지 못하고 커널 함수들 또한 해당 자료구조의 내부를 정확히 알지 못한다. 때문에 커널 버전 변경에 따라 자료구조가 변경되더라도 디바이스 드라이버에서 해당 변경에 대해 별다른 변경 작업을 할 필요가 없도록 설계되었다. kdev_t를 이용하기 위해서는 직접 사용할 필요가 없고 아래와 같이 제공되는 함수 또는 매크로를 이용한다.

1
2
3
4
5
6
7
8

// Extract the major number from a kdev_t structure.
#define MAJOR(dev)	((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))

// Extract the minor number.
#define MINOR(dev)	((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))

// Create a kdev_t build from major and minor numbers
#define MKDEV(ma,mi)	(((ma) << MINORBITS) | (mi))

출처 🔗

minor number major number