デバイスドライバ

デバイスドライバとは、ディスプレイモニター、プリンターやイーサネットボード、拡張カードやその他周辺機器など、パソコンに接続されているハードウェアなどをオペレーティングシステム  によって制御可能にするために用意されたソフトウェアである。

近年は多くの機器がプラグアンドプレイに対応しており、機器を接続した直後に、標準ドライバが自動でインストールされるため、ユーザーがデバイスドライバの存在を意識することは少なくなってきている。ユーザが意識せずにドライバが組み込まれることを「ドライバレス」や「ドライバ不要」と呼ぶ場合もある。

1. 概要
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デバイスドライバは、一般にバスや通信サブシステムを経由してそこに接続している周辺機器と通信する。プログラムからドライバ内のルーチンを呼び出すと、ドライバが周辺機器に対してコマンドを発行する。周辺機器がドライバに対してデータを送り返してきたら、ドライバは元の呼び出したプログラム内のルーチンを呼び出すなどする。ドライバはハードウェアに依存し、OS毎に異なる。非同期なハードウェアインターフェイスに対応するため、割り込み処理を提供していることが多い。

ワープロソフトや表計算ソフトなどのアプリケーションなどが、モニター、プリンター、ネットワークカードなどのデバイスを利用する際、OSが提供する共通化されたAPIによってデバイスの機能を利用できるようにしておく。そして、抽象化されたAPIとハードウェアとの間の対応を、各ハードウェア用のデバイスドライバが受け持つ。

このような仕組みを採用することで、結果的にハードウェアの差異を吸収することができる。ソフトウェアプログラマは、特定のハードウェアに対応する細々としたソフトウェアを書かずとも、APIにあわせたアプリケーションプログラムを作ることで、作成したソフトウェアから不特定多数のハードウェアを利用することができる。

2. 標準ドライバ
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広く共通化が進んだハードウェアでは、OS内部に標準ドライバが含まれている場合が多い。標準ドライバがサポートしないハードウェアに関しては、一般に、そのハードウェアを提供するメーカーが、デバイスドライバを製品にフロッピーディスクやCD-ROMで添付するか、あるいはインターネット上で配布する。

プリンターやグラフィックスカードなど一部の製品では、ベンダーの提供するドライバと標準ドライバの両方が用意されている場合がある。標準ドライバは最低限の機能を有する安定したドライバ、ベンダー提供のドライバはそのハードウェアのもつ機能を最大限利用できる最適化されたドライバである場合が多い。

3. APIとの関係
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ドライバは、OSの一部として機能する。

ユーザープロセスでのAPI呼び出しをきっかけに、ドライバのコードが呼び出される。しかしドライバのコード自身は、ユーザープロセスではなく、カーネルコードの一部として動作する。

上で言う//抽象化されたAPI//とは、ほとんどの近代的なOSでは、open, read, write, ioctl, close というAPIに統一化されている。歴史的にいうと、これらのAPIは、記憶装置上のファイルにアクセスするためのAPIであるが、これがデバイスに対してもアクセス可能なように拡張された形で提供されているのが、一般的な作りである。すなわち、デバイスに対して、入出力の準備をするopen処理、デバイスからデータを入力するためのread処理、デバイスにデータを出力するためのwrite処理、デバイスに対して特別な処理を行うためのioctl処理、入出力処理を終えるためのclose処理、などである。

read, writeで実際に何が行われるかは、デバイスごとに異なる。例えば、プリンターに対してwriteを行うと印字されるが、サウンドデバイスに対してwriteを行うと、音が鳴る。マウスに対してreadを行うと、マウスの移動量が読み出せる。デバイスによっては、read, writeの片方にしか意味がない場合も多い。例えば、プリンターに対してreadを行うと、何も行われない場合がほとんどである。read, writeでは何もせずに、実際の入出力をioctlだけで行う、という実装も良く用いられる。

4. 内部構成
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デバイスドライバの一般的な内部プログラムの構成は、アプリケーションのAPI呼び出しをきっかけに起動されるディスパッチコードと、ハードウェア割り込みにより起動される割り込み処理コード、の2つからなる。 割り込みに対してはさらに、純粋な割り込みルーチンと、OSのタスクスイッチングのタイミングで呼び出される後処理コードの、2段階に分けて実装する作りになっているケースが多い。これは、ハードウェア割り込みルーチンからは、可能な限り早く復帰して欲しいという要望があるため、多少時間がかかっても良い処理は、カーネル内で余裕ができたタイミングまで後回しにして実行しよう、という考えに基づいた構成手法である。

最近のOSでは、ハードウェア同士で機能が似たものは、まとめてひとつのクラスとして扱う仕組みも存在する。この場合のドライバはドライバモジュールによる階層構造になっており、あるデバイスクラスで共通の処理をするクラスドライバはOS側で供給され、デバイスベンダーが各デバイス固有のミニドライバを作製する。これにより、ドライバの開発工数を削減できるようになっている。上位/下位のドライバペアは他の名称としてポートドライバ/ミニポートドライバ、クラスドライバ/ミニクラスドライバなどと呼ばれる場合もある。

例えば、シリアルポートではソフトウェアフロー制御のようにシリアルポート全般に共通する標準通信プロトコルに対応する必要がある。これはシリアルポートの論理層で管理することになる。しかし、物理層は特定のシリアルポートのチップと通信できなければならない。16550 UART というハードウェアはPL011とは異なる。物理層はそういったチップ固有の差異に対応している。慣例的に、OSからの要求はまず論理層に対して行われる。そして論理層から物理層が呼び出され、OSの要求をハードウェアが理解できる形にして実行する。逆にハードウェア周辺機器がOSに返答しなければならないとき、まず物理層が対応して論理層を呼び出す。

デバイスドライバがクラスごとに共通化されることで、特定のハードウェアが独自に持っている機能が使えなくなる、あるいは使いにくくなるという欠点もある。新規技術開発で出現したハードウェアでは、その機能をどのようにOSが抽象化するかが決まるまで、ミニドライバの開発が待たされることもある。この場合は、ハードウェア毎にネイティブなデバイスドライバを、階層化されないドライバとして作成すれば、早期にドライバを提供することができる。

モノリシックドライバでは、ioctlに、そのハードウェア独自の機能を使うための仕掛けを組み入れることも可能であり、これをあやつる専用のアプリケーションを作れば、さらにきめ細かなハードウェア制御を実現することもできる。

デバイスドライバの内部構造は、OSごとに大きく異なる。

Windowsでは、Windows 98以降、様々なバージョンのWindowsごとにドライバを書く手間を省くために、Win32 ドライバモデル  アーキテクチャが導入された。 Windowsでは、ドライバの最下層にハードウェアを抽象化する層である Hardware Abstraction Layer  を設けて、プラットフォームによる違いを吸収する仕組みも存在する。

Linuxでは、デバイスドライバをLinuxカーネルの一部として構築することもできるし、Linuxカーネルとは別のモジュールとして構築することもできる。MakedevにはLinuxでの周辺機器の一覧が含まれており、ttyS、lp、hd、loop、soundなど様々な周辺機器が定義されている。

ロード可能なデバイスドライバは、Windowsでは ".sys"、Linuxでは ".ko" という拡張子のファイルになっている。この形のデバイスドライバは必要なときだけロードできるという利点があり、カーネルメモリの節約につながる。

以上は、ハードウェアに合わせて、ドライバを各種OSに対して用意するという方針である。これとは逆に、PDAなどの開発現場では、ハードウェアの仕様をできるだけ同じにすることでデバイスドライバの開発の手間を省く、という方針が採用されているケースもある。

5. 開発
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デバイスドライバ開発には、そのプラットフォームでのハードウェアとソフトウェアについて詳細まで理解している必要がある。ドライバは高い特権を与えられた環境で動作するので、間違った動作をすると破壊的な結果を招く。対照的に現代のオペレーティングシステムでのユーザーレベルのソフトウェアは、システムの他の部分に影響せずに停止することができる。ユーザーモードで動作するデバイスドライバであっても、バグがあればシステムをクラッシュさせることがある。そういった要因から、問題の診断も困難で危険なものとなる。

したがってドライバを書く仕事は、ハードウェア開発企業のソフトウェア技術者の仕事となることが多い。これは、部外者よりもハードウェア開発元の方がそのデザインに関する情報をより多く得られるためである。さらに言えば、デバイスドライバを提供することで製品を最適な方法で使えることを保証するという意味もある。一般に論理層はOSベンダーが書き、物理層は周辺機器ベンダーが書く。しかし最近では FLOSS OS で使用するためにベンダー以外の者がデバイスドライバを書くことも増えている。その場合、ハードウェア製造業者がその周辺機器のインターフェイス仕様について情報を提供することが重要となる。リバースエンジニアリングでそういった情報を解明することもできるが、対応ソフトウェアが全くない状態ではそれも難しくなる。

マイクロソフトは品質の低いデバイスドライバによってシステムの安定性が損なわれるのを防ぐため、ドライバ開発の新たなフレームワーク Windows Driver Foundation  を開発した。WDFには User-Mode Driver Framework  と Kernel-Mode Driver Framework  がある。UMDFはユーザーモードで動作するドライバ開発用のフレームワークで、UMDFを使ったユーザーモードのドライバにバグがあったとしても、システム安定性に影響を与えない。KMDFはカーネルモードで動作するデバイスドライバ開発を扱うが、I/O操作のキャンセル、パワーマネジメント、プラグ・アンド・プレイのサポートなど問題を起こしやすい機能の標準的実装を提供している。

AppleはmacOS用のドライバ開発のオープンソース・フレームワーク I/O Kit を提供している。

6. カーネルモードとユーザーモード
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Windowsでは、デバイスドライバはカーネルモードまたはユーザーモードで動作する。ドライバをユーザーモードで動作させる最大の利点は安定性の向上であり、ユーザーモードのデバイスドライバは品質が悪くてもカーネルメモリを上書きしてシステムをクラッシュさせるということがない。一方、カーネルモードからユーザーモードに移行させると性能が低下するので、性能が要求されるデバイスドライバはユーザーモードに移行できない。

ユーザーモードのモジュールはシステムコールを使わないとカーネル空間にアクセスできない。

7. 仮想デバイスドライバ
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仮想デバイスドライバはハードウェア周辺機器をエミュレートするもので、特に仮想化環境で使われる。例えば、Windowsの動作しているコンピュータ上でMS-DOSプログラムを実行する場合や、Xenなどの上で動作するゲストOSの場合である。ゲストOSがハードウェアと直接やりとりできるようにするのではなく、仮想デバイスドライバがハードウェアをエミュレートすることで、VM内で動作するゲストOSが実際のハードウェアにアクセスしているかのような幻影を生じさせる。ゲストOSがハードウェアにアクセスしようとしたとき、ホストOS内の仮想デバイスドライバがそれに対応して呼び出される。仮想デバイスドライバはまた、VM内に割り込みなどのプロセッサレベルのイベントを擬似的に発生させることができる。

仮想化環境以外でも仮想デバイスが使われることがある。例えば、Virtual Private Networkでは仮想ネットワークカードが使われ、iSCSIでは仮想ディスクデバイスが使われる。仮想デバイスドライバの好例としてDaemon Toolsなどがある。

8. オープンなドライバ
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アプリケーションソフトウェアとは違い、デバイスドライバはハードウェアのアーキテクチャや仕様が公開されていなければ作成が困難であるため、オープンソース版のドライバ開発はクローズドソース版と比較して活発でなかったり機能や性能が劣ったりすることが多い。

プリンター: CUPS
RAID: CCISS
スキャナー:
ビデオ: Vidix、ダイレクト・レンダリング・インフラストラクチャ
Linux用AMD Radeonグラフィックスドライバ
Linux用インテルグラフィックスドライバ
Linux用NVIDIAグラフィクスドライバnouveau

9. デバイスドライバ関連のAPIや規格
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Network Driver Interface Specification  – 標準ネットワークカードドライバAPI
Advanced Linux Sound Architecture  – Linuxのサウンドドライバの標準インターフェイス
Scanner Access Now Easy  – イメージスキャナ用のパブリックドメインのインターフェイス
I/O Kit – AppleのmacOS用デバイスドライバのためのオープンソースのフレームワーク
Installable File System  – OS/2とWindows NTのファイルシステムAPI。Windows Driver Kitの一部
Open Data-Link Interface  – NDISと同様のネットワークカード用API
Uniform Driver Interface  – クロスプラットフォームのドライバインターフェイス策定プロジェクト。WindowsやUNIXなどのOSの枠を越えて、複数のOSに対して共通のドライバを1本書けば、どのOSでも動作可能なようにする試み
[1]  – マイクロソフトのKMDFとAppleのI/O Kitで共通のドライバを開発可能にするC++のオープンソース・フレームワーク

9.1. Windows
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パッケージ規格
Windows Drivers: 全てのWindows 10プラットフォームで機能する厳格な規格
Windows Desktop Drivers: デスクトップ版のみで機能する規格
Universal Windows Drivers: Windows Driversへ移行
ドライバ規格
Windows Driver Model  - Windows用ドライバの標準インターフェース
Windows Driver Frameworks  - WDMをラップ・抽象化してシンプルかつ高機能にした公式ライブラリ・フレームワーク
Kernel-Mode Driver Framework 
User-Mode Driver Framework 
仮想デバイスドライバ  - かつて利用されていた形式
Windows NT driver model - Windows NTで主に利用されていた形式
Windows Display Driver Model  – Windows Vista でのグラフィックスドライバのアーキテクチャ

10. 脚注
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11. 関連項目
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動作環境
オープンソースハードウェア
オペレーティングシステム
ファームウェア
ローダブル・カーネル・モジュール
割り込み 
BIOS
udev

12. 外部リンク
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