【Linux开发】内核模块简介

一. 摘要

这篇文章主要介绍了Linux内核模块的相关概念，以及简单的模块开发过程。主要从模块开发中的常用指令、内核模块程序的结构、模块使用计数以及模块的编译等角度对内核模块进行介绍。在Linux系统开发过程中，以模块的形式开发其重要性不言自明，而在嵌入式设备驱动开发中将驱动程序以模块的形式发布，更是极大地提高了设备使用的灵活性——用户只需要拿到相关驱动模块，再插入到用户的内核中，即可灵活地使用你的设备。

二. 文章提纲

1. 摘要

2. 文章提纲

3. 概述

4. 模块开发常用的指令

5. 内核模块程序结构

6. 模块使用计数

7. 模块的编译

8. 使用模块绕开GPL

9. 总结

三.概述

Linux内核整体结构已经很庞大，包含了很多的组件，而对于我们工程师而言，有两种方法将需要的功能包含进内核当中。

一：将所有的功能都编译进Linux内核。

二：将需要的功能编译成模块，在需要的时候动态地添加。

上述两种方式优缺点分析：

第一种：

优点：不会有版本不兼容的问题，不需要进行严格的版本检查

缺点：生成的内核会很大；要在现有的内核中添加新的功能，则要编译整个内核

第二种：

优点：模块本身不编译进内核，从而控制了内核的大小；模块一旦被加载，将和其它的部分完全一样。

缺点：可能会有内核与模块版本不兼容的问题，导致内核崩溃；会造成内存的利用率比较低。

四.模块开发常用的指令

在内核模块开发的过程中常用的有以下指令。

1）  insmod: 将模块插入内核中，使用方法：#insmod XXX.ko

2）  rmmod: 将模块从内核中删除，使用方法：#rmmod XXX.ko

3）  lsmod: 列表显示所有的内核模块，可以和grep指令结合使用。使用方法：#lsmod | grep XXX

4）  modprobe: modprobe可载入指定的个别模块，或是载入一组相依赖的模块。modprobe会根据depmod所产生的依赖关系，决定要载入哪些模块。若在载入过程中发生错误，在modprobe会卸载整组的模块。依赖关系是通过读取 /lib/modules/2.6.xx/modules.dep得到的。而该文件是通过depmod 所建立。

5）  modinfo: 查看模块信息。使用方法：#modinfo XXX.ko

6）  tree –a: 查看当前目录的整个树结构。使用方法：#tree -a

五.内核模块程序结构

1）  模块加载函数（一般需要）

在用insmod或modprobe命令加载模块时，该函数被执行。完成模块的初始化工作。

Linux内核的模块加载函数一般用__init标识声明，模块加载函数必须以module_init(函数名)的形式被指定。该函数返回整型值，如果执行成功，则返回0，初始化失败时则返回错误编码，Linux内核当中的错误编码是负值，在<linux/errno.h>中定义。

在Linux中，标识__init的函数在连接时放在.init.text这个区段，而且在.initcall.init中保留一份函数指针，初始化的时候内核会根据这些指针调用初始化函数，初始化结束后释放这些init区段（包括前两者）。

代码清单：

 1 static int __init XXX_init(void)
 2
 3 {
 4
 5          return 0;
 6 }
 7
 8
 9
10 moudle_init(XXX_init);

2）  模块卸载函数（一般需要）

在用rmmod或modprobe命令卸载模块时，该函数被执行。完成与加载相反的工作。

模块的卸载函数和模块加载函数实现相反的功能，主要包括

1. 若模块加载函数注册了XXX，则模块卸载函数注销XXX
2. 若模块加载函数动态分配了内存，则模块卸载函数释放这些内存
3. 若模块加载函数申请了硬件资源，则模块卸载函数释放这些硬件资源
4. 若模块加载函数开启了硬件资源，则模块卸载函数一定要关闭这些资源

代码清单：

1 static void __exit XXX_exit(void)
2
3 {
4
5 }
6
7
8
9 moudle_exit(XXX_exit);

3）  模块许可证声明（必须）

如果不声明，则在模块加载时会收到内核被污染的警告，一般应遵循GPL协议。

代码清单：

1 MODULE_LICENSE("GPL");

4）  模块参数（可选）

模块在被加载时传递给模块的值，本身应该是模块内部的全局变量。

示例程序book.c

 1 #include <linux/init.h>
 2
 3 #include <linux/module.h>
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 7 static char *bookName = "Good Book.";
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 9 static int bookNumber = 100;
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13 static int __init book_init(void)
14
15 {
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17          printk(KERN_INFO "Book name is %s\n", bookName);
18
19          printk(KERN_INFO "Book number is %d\n", bookNumber);
20
21          return 0;
22
23 }
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27 static void __exit book_exit(void)
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29 {
30
31          printk(KERN_INFO "Book module exit.\n");
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33 }
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36
37 module_init(book_init);
38
39 module_exit(book_exit);
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41 module_param(bookName, charp, S_IRUGO);
42
43 module_param(bookNumber, int, S_IRUGO);
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47 MODULE_LICENSE("GPL");

在向内核插入模块的时候可以用以下方式，并且可以在内核日志中看到模块加载以后变量已经有了值。

5）  模块导出符号（可选）

使用模块导出符号，方便其它模块依赖于该模块，并使用模块中的变量和函数等。

在Linux2.6的内核中，/proc/kallsyms文件对应着符号表，它记录了符号和符号对应的内存地址。对于模块而言，使用下面的宏可以导出符号。

1 EXPORT_SYMBOL(符号名);

或

1 EXPORT_GPL_SYMBOL(符号名);

6）  模块信息（可选）

模块信息则是指模块的作者信息等。

六.模块使用计数

Linux内核提供了MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT宏来管理模块使用计数。但是对于内核模块而言，一般不会自己管理使用计数。

七.模块的编译

将下面的Makefile文件放在book.c同级的目录下，然后使用#make命令或者#make all命令编译即可生成book.ko模块文件。

对应的Makefile：

 1 ifneq ($(KERNELRELEASE),)
 2
 3 mymodule_objs := book.o
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 5 obj-m := book.o
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 7 else
 8
 9 PWD := $(shell pwd)
10
11 KVER ?= $(shell uname -r)
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13 KDIR := /usr/src/linux-headers-2.6.38-8-generic
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16
17 all:
18
19          $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD)
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21 clean:
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23          rm -rf *.mod.c *.mod.o *.ko *.o *.tmp_versions *.order *symvers
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25 endif

八.使用模块绕开

如果功能不编译成模块，则无法绕开GPL，编译成模块后公司发布产品则只需要发布模块，而不需要发布源码。为了Linux系统能够支持模块，需要做以下的工作：

1. 内核编译时选择“可以加载模块”，嵌入式产品一般都不需要卸载模块，则可以不选择“可卸载模块”
2. 将我们的ko文件放在文件系统中
3. Linux系统实现了insmod、rmmod等工具
4. 使用时可以用insmod手动加载模块，也可以修改/etc/init.d/rcS文件，从而在系统启动的时候就加载模块。

九.总结

本文主要介绍内核模块的概念和基本编程方法，内核模块主要由加载、卸载函数功能函数等一系列声明组成。它可以被传入参数，也可以导出符号，供其它的模块使用。