13. 5.12. Exchanging Data Between Kernel and User Spaces

13.1. Введение

Одна из важнейших задач при написании драйверов Linux — это организация безопасного обмена данными между пространствами ядра (kernel space) и пользователя (user space). Такой обмен необходим, например, для чтения состояния кнопки или установки уровня на GPIO.

В ядре предоставляется несколько стандартных интерфейсов:

read() и write() — классический POSIX-способ взаимодействия
ioctl() — для управления и передачи структур
poll() и select() — для реактивного ожидания событий
mmap() — отображение памяти между user и kernel
sysfs / procfs — файловые интерфейсы без open()

—

13.2. Классический пример: read()

Рассмотрим простую реализацию read() в нашем драйвере hellokeys_rpi3_misc_dt:

static ssize_t hellokeys_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    char msg[64];
    int len;

    // Пример: опрос двух GPIO
    int val1 = gpiod_get_value(key1);
    int val2 = gpiod_get_value(key2);

    len = snprintf(msg, sizeof(msg), "key1: %d\\nkey2: %d\\n", val1, val2);
    return simple_read_from_buffer(buf, count, ppos, msg, len);
}

Пояснение:

char __user *buf — указатель на буфер в user space
мы создаём строку в kernel space, затем копируем её через simple_read_from_buffer() или copy_to_user()

—

13.3. Передача данных из userspace: write()

Если вы хотите передать данные в ядро (например, установить цвет RGB), реализуется write():

static ssize_t rgb_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    char kbuf[32];
    int r, g, b;

    if (count > sizeof(kbuf) - 1) return -EINVAL;

    if (copy_from_user(kbuf, buf, count)) return -EFAULT;
    kbuf[count] = 0;

    // Пример: "255 0 128"
    if (sscanf(kbuf, "%d %d %d", &r, &g, &b) == 3) {
        gpiod_set_value(led_r, r > 0);
        gpiod_set_value(led_g, g > 0);
        gpiod_set_value(led_b, b > 0);
        return count;
    }

    return -EINVAL;
}

—

13.4. Что важно помнить при обмене:

User Space → Kernel Space: используем copy_from_user()
Kernel Space → User Space: используем copy_to_user() или simple_read_from_buffer()
Нельзя напрямую разыменовывать указатели из user space
Следите за безопасностью буфера: проверяйте count, добавляйте 0 в строки

—

13.5. Когда использовать ioctl()

ioctl() подходит для:

передачи флагов, параметров, структур
конфигурирования устройств

static long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    int kval;

    if (copy_from_user(&kval, (int __user *)arg, sizeof(int)))
        return -EFAULT;

    if (kval == 42) do_something_special();

    return 0;
}

—

13.6. Вывод

Обмен данными между ядром и пользователем — основа интерактивных драйверов. Для простых задач (GPIO, флаги, сообщения) достаточно read() / write(). Для более сложных — используем ioctl() или mmap().

Реализация этих функций позволяет из user space обращаться к устройству через обычные системные вызовы: cat, echo, open(), read(), write().