Perché i driver di periferica in Linux devono essere eseguiti in modalità kernel?

Il codice spostato potrebbe ancora essere eseguito in userland, semplicemente non sarebbe un driver, sarebbe una libreria o simile. Credo che il tuo cosiddetto driver sia erroneamente chiamato e non sia in realtà un driver, solo una libreria condivisa intermedia o qualcosa di simile.

I driver di dispositivo sono in grado di accedere a funzioni privilegiate e hanno accesso a roba che il software per utenti non lo è. Questo è il motivo per cui devono essere in modalità kernel. Questo è anche il motivo per cui sono più scrutati e più difficili da caricare ed eseguire, a causa dei problemi che potrebbero causare. I driver Dodgy sono in grado di eseguire il deadlock di un sistema e possono rendere il sistema instabile, senza che il sistema operativo lo possa arrestare.

Se si dispone di un set di codice che non richiede tale accesso privilegiato, è inutile crearlo in un driver. Sarebbe come cercare di ottenere un permesso di costruzione prima di spostare i mobili, un sacco di problemi senza alcun beneficio.

I driver di dispositivo non devono essere eseguiti in modalità kernel in Linux. È perfettamente possibile eseguire i driver in modalità utente.

Ad esempio, lo scopo della libreria libusb è di scrivere driver USB indipendenti dal sistema operativo in modalità utente. Quasi tutti i driver di stampa sono in modalità utente. Parti dello stack grafico sono in modalità utente (anche se la quantità di esso e dove i limiti tendono a spostarsi ogni 10-15 anni). Lo scopo di FUSE è di scrivere i driver del file system in modalità utente.

Se stai chiedendo più in generale perché i driver di dispositivo devono essere in modalità kernel, la risposta è: non lo fanno. Nei kernel monolitici come Linux, tendono ad esserlo, ma per esempio nei microkernel, solo una minima funzionalità (memoria virtuale, pianificazione delle attività) è fornita dal kernel e tutto il resto è implementato nello spazio utente. In nanokernels ed exokernels anche meno è nel kernel: in pratica, l'unica cosa che fa il kernel è sequenziare l'accesso alle risorse. Non gestisce nemmeno la memoria.

E per ultimo, ma non meno importante, esistono sistemi operativi senza kernel, in cui non esiste nemmeno un kernel: tutto viene eseguito nello spazio utente.

Now I have read that device drivers in Linux needs to run in kernel mode. But why is that? ... why can't the device driver also runs in user mode?

I driver vengono eseguiti in modalità kernel mentre le applicazioni vengono eseguite in modalità utente per molte ragioni. Ad esempio

• un driver ha bisogno di alta priorità per servire l'I / O del dispositivo in modo prevedibile (e altrimenti può rischiare di perdere alcuni dati). Ad esempio, i driver potrebbero dover essere eseguiti senza incorrere in errori di pagina. Mettere la memoria del driver nel kernel è un modo semplice per farlo. (In realtà, questo è, ovviamente, molto più complicato: di solito i driver hanno una piccola quantità di codice ad alta priorità, insieme ad un codice aggiuntivo meno critico che viene eseguito anche nel kernel e alle due condivisioni di memoria.)
• Le istruzioni di I / O e gli indirizzi di I / O mappati nella memoria del dispositivo sono generalmente protetti dal codice dell'applicazione, pertanto le applicazioni non possono accedere direttamente a tali risorse. Costringere le applicazioni a utilizzare chiamate kernel / sistema consente al sistema operativo di condividere dispositivi tra più applicazioni o persino più macchine virtuali.
• Le applicazioni che utilizzano un'interfaccia di lettura / scrittura kernel / sistema per accedere ai dispositivi consentono la sostituzione dei dispositivi e l'aggiornamento dei driver dei dispositivi indipendentemente dall'applicazione.

Le applicazioni, di solito, vengono eseguite in modalità utente, con un grado di astrazione dai dispositivi sottostanti e la loro implementazione.

I mean when my application communicated directly with the USB driver, it was running in user mode.

Sì, ma la comunicazione dell'applicazione con il driver USB viene effettuata tramite chiamate kernel / di sistema, quindi il kernel è coinvolto in questo. Inoltre, il driver USB stesso è tipicamente nel kernel; solo le routine di libreria per accedervi sono nell'applicazione o nelle librerie utilizzate dall'applicazione.

Se si scrive il proprio driver di dispositivo, è possibile inserire tutte le funzionalità dell'applicazione nel driver di dispositivo e quindi non richiedere affatto un'applicazione in modalità utente. Tuttavia, generalmente non è una grande strutturazione della funzionalità per una serie di motivi. Ad esempio, linee guida come Separation of Concerns sarebbero state violate.