리눅스 커널 - 디바이스 드라이버

오늘의 공부 목차

1. 드라이버 개념 이해
2. 드라이버의 종류
3. 실습 준비

1. 드라이버 개념 이해

• 디바스 드라이버 = 커널이 하드웨어랑 대화하는 통역사라고 생각하면 된다.
• 예시
  • 키보드 입력 → 드라이버가 읽어서 커널에 전달 → 프로그램이 사용
  • 네트워크 카드 → 드라이버가 패킷 주고받음
• 리눅스 드라이버 형태
  1. 빌트인 (Built-in)
     • 커널 컴파일 시 아예 포함됨 (y 옵션)
     • 부팅 시 항상 커널 안에 존재
  2. 모듈(Module)
     • 필요할 때 insmod/modprobe로 삽입 가능 (m 옵션)
     • 메모리 절약 + 유지보수 편함
• 리눅스는 모놀리식 커널 (Monolithic Kernel)
  • 커널 공간에서 모든 핵심 기능 + 드라이버가 동작
  • 모듈 시스템 덕분에 “유연한 모놀리식”이라고도 불림
• 윈도우 = 하이브리드 커널 (Hybrid Kernel)
  • NT 커널 구조: 마이크로커널 + 모놀리식 특성 혼합
  • 일부 기능(윈도우 서브시스템 등)은 유저 모드 서비스로 동작

2. 드라이버의 종류

2-1. 캐릭터 디바이스 (Character Device)

• 특징
  • 데이터를 바이트 단위로 차례대로 읽고 쓰는 장치
  • 스트림(stream)처럼 순차적으로 입출력 → “파일처럼 한 글자씩 처리”
• 예시
  • /dev/tty → 터미널 (키보드 입력, 화면 출력)
  • /dev/null → 쓰면 버려지고, 읽으면 아무 것도 없는 장치
• 비유: 수도꼭지에서 물이 한 줄기로 계속 흐르는 것처럼 “한 줄 흐름”

2-2. 블록 디바이스 (Block Device)

• 특징
  • 데이터를 **블록 단위(일정 크기, 보통 512B~4KB)**로 묶어서 입출력
  • 랜덤 액세스 가능 → 특정 블록만 읽거나 쓸 수 있음
• 예시
  • HDD, SSD, SD카드
  • 리눅스에서 /dev/sda, /dev/mmcblk0 같은 장치
• 비유: 책을 생각하면, 한 장(=블록) 단위로 바로 펼쳐볼 수 있음

2-3. 네트워크 디바이스 (Network Device)

• 특징
  • 데이터를 패킷 단위로 송수신
  • 일반 파일처럼 read/write가 아니라, 네트워크 스택을 통해 send/recv
• 예시
  • eth0 (유선 이더넷)
  • wlan0 (무선 WiFi)
• 비유: 편지를 보내면 “봉투(패킷)” 단위로 이동하는 것과 비슷

보충 개념

• 바이트 단위
  • 데이터의 최소 표현 단위 (1 byte = 보통 8bit = 숫자 0~255 표현 가능)
  • 캐릭터 디바이스는 이 최소 단위로 순서대로 입출력
• /dev/sda
  • 리눅스에서 첫 번째 SCSI/SATA 디스크를 의미
  • Windows의 C: 드라이브와 비슷하게 보일 수 있지만, 완전히 같진 않음
    • Windows: 드라이브 문자(C:, D:)
    • Linux: 디바이스 파일(/dev/sda, /dev/sdb) + 마운트 포인트(/, /home 등)
  • 예: /dev/sda1 = 첫 번째 디스크의 첫 번째 파티션

정리하면:

• 캐릭터 → 한 글자씩 (순차 스트림)
• 블록 → 덩어리 단위 (랜덤 액세스 가능)
• 네트워크 → 봉투 단위 (패킷 전송)
• /dev/sda는 리눅스의 “디스크 장치 파일”이지 Windows C:처럼 고정된 건 아님.

3. 실습 준비

실습에 앞서 라즈베리파이3b가 있어서 라즈베리파이로 실행했다.

• Ubuntu / Raspberry Pi 환경에서 커널 헤더 설치:

  sudo apt update
  sudo apt install build-essential linux-headers-$(uname -r)

라즈베리파이에서 커널 드라이버를 만들려면 두 가지 도구가 필요하다.

1. build-essential
   • 쉽게 말해서 C언어 프로그램을 만들 수 있는 기본 공구세트
   • 안에 들어있는 것들
     • gcc → 컴파일러
     • make → 실행기
     • 기타 라이브러리
   • 드라이버도 결국은 c언어로 쓰인 프로그램이라서 필요함
2. raspberrypi-kernel-headers

• 리눅스 드라이버는 커널과 직접 대화해야 한다.
• 근데 커널은 너무 크고 복잡하다. 우리가 직접 모든 코드를 볼 필요가 없다.
• 대신 “커널이 이런 기능을 이렇게 쓸 수 있어” 라고 정리된 설명서(헤더 파일)가 필요하다.
• 라즈베리파이에 설치된 커널 버전과 똑같은 헤더를 설치해야 드라이버가 정상적으로 빌드된다.
• 맞는 헤더가 에러 뜨고 빌드 실패

1. 작업용 디렉토리 만들기:

mkdir ~/driver_dev && cd ~/driver_dev

4. Hello Driver 모듈 코드

hello_driver.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

// 모듈이 로드될 때 실행
static int __init hello_init(void){
    printk(KERN_INFO "Hello, thunder's first driver!\n");
    return 0;
}

// 모듈이 제거될 때 실행
static void __exit hello_exit(void){
    printk(KERN_INFO "Goodbye, driver!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("thunder");
MODULE_DESCRIPTION("Simple Hello World Driver");

5. Makefile

Makefile

obj-m += hello_driver.o

all:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

명령어 해부

make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

1. make

• 리눅스 커널이 제공하는 Kbuild Makefile을 실행.
• 즉, “커널 빌드 시스템”을 불러내는 명령어.

2. C /lib/modules/$(shell uname -r)/build

• C 옵션 = 이 디렉토리로 들어가서(make chdir) Makefile 실행하라는 뜻.
• /lib/modules/$(shell uname -r)/build
  • $(shell uname -r) → 현재 커널 버전 문자열 (6.1.21-v7+)
  • /lib/modules/6.1.21-v7+/build → 현재 커널 빌드 디렉토리 (커널 헤더가 있는 곳)
• 즉, 현재 커널 헤더 빌드 시스템으로 들어가라는 뜻.

3. M=$(PWD)

• M 변수는 모듈 소스 코드가 있는 디렉토리를 의미.
• $(PWD) → 지금 네가 있는 디렉토리 (~/driver_dev)
• 즉, “내가 모듈 소스를 여기 두었으니, 여기서 빌드해줘” 라는 뜻.

4. modules

• 커널 빌드 시스템에 정의된 타겟(target) 이름.
• “외부 모듈을 빌드해라”라는 명령.
• 따라서 위 전체 명령은:

  “커널 빌드 시스템을 불러와서, 내 디렉토리(M=$(PWD))에 있는 소스로 모듈을 컴파일해라”

정리

• make = 커널 빌드 시스템 실행
• C .../build = 커널 소스/헤더 디렉토리로 이동
• M=$(PWD) = 현재 내 모듈 소스 있는 디렉토리 지정
• modules = “모듈 빌드하라” 타겟 실행

흐름도

┌─────────────────────┐
│ make                │   ← "빌드 해줘!" 실행
└──────────┬──────────┘
           │
           ▼
┌─────────────────────┐
│ -C /lib/modules/... │   ← 현재 커널 버전 빌드 시스템 디렉토리로 이동
│ (커널 헤더 & Kbuild)│
└──────────┬──────────┘
           │
           ▼
┌─────────────────────┐
│ M=$(PWD)            │   ← 내 모듈 소스(hello_driver.c)가 있는 경로 알려줌
└──────────┬──────────┘
           │
           ▼
┌─────────────────────┐
│ Target: modules     │   ← "외부 모듈 빌드" 명령 실행
└──────────┬──────────┘
           │
           ▼
┌─────────────────────┐
│ 결과물 생성         │
│ hello_driver.ko     │   ← 커널 모듈 파일 완성!
└─────────────────────┘

6. 빌드 & 실행 과정

6-1. 모듈 빌드

make

• hello_driver.c → hello_driver.o (중간 산출물)
• hello_driver.o → hello_driver.ko (최종 커널 모듈)

6-2. 모듈 삽입

sudo insmod hello_driver.ko

• 커널 공간에 모듈 삽입
• hello_init() 함수 실행 → 로그 출력

6-3. 로그 확인

dmesg | grep thunder

출력 예시:

[ 1273.997271] Hello, thunder's first driver!

6-4. 모듈 제거

sudo rmmod hello_driver
dmesg | grep thunder

출력 예시:

[ 1287.868108] Goodbye, driver!

최종 로그

7. 실습으로 알게 된 점

1. 커널 모듈의 개념

   • 커널에 동적으로 추가/삭제할 수 있는 코드 조각
   • 전체 커널을 다시 빌드하지 않아도 기능을 확장할 수 있다.

2. 모듈 생명주기

   • hello_init() → insmod 시 실행
   • hello_exit() → rmmod 시 실행

3. 로그 출력 방식

   • 커널에는 printf가 없음 → 대신 printk 사용
   • 결과는 dmesg로 확인

4. 모듈이 올라가 있는지 확인

   lsmod | grep hello_driver

   → 현재 로드된 모듈 리스트에서 확인 가능

8. 웹 개발 비유로 이해하기 (쉽게 설명)

• 커널 = 웹 서버(Spring Boot)
• 모듈(.ko) = 컨트롤러/플러그인
• hello_init() = @PostConstruct (초기화)
• hello_exit() = @PreDestroy (정리)
• printk → dmesg = System.out.println → 로그

즉, 오늘 한 건 “실행 중인 서버에 HelloController 하나 붙였다가 뗀 것”과 동일하다

오늘의 공부 정리

커널은 하드웨어와 운영체제가 실시간으로 소통하는 창구 같은 존재다.

운영체제 과목 공부를 할 때는 항상 암기식으로만 접근해서, 뭔가 겉도는 느낌이 있었다.

그런데 오늘은 리눅스 커널에 직접 모듈을 올려보고(insmod), 로그를 출력해보며(dmesg)

추상적이던 개념이 조금 더 구체적으로 와닿았다.

마치 뭉개구름 같던 그림이 점점 해상도가 올라가는 느낌이라고 할까?

아직 공부할 부분은 산더미지만,

꾸준히 실습하며 커널의 동작 원리를 내 것으로 만드는 그날까지 달려가 보자!