Linux 驱动开发之内核模块开发 （一）—— 内核模块机制基础

一、内核模块的概念

1、什么是模块？

       内核模块是一些可以让操作系统内核在需要时载入和执行的代码，同时在不需要的时候可以卸载。这是一个好的功能，扩展了操作系统的内核功能，却不需要重新启动系统，是一种动态加载的技术。

特点：动态加载，随时载入，随时卸载，扩展功能

2、内核模块的加载作用

      内核模块只是向linux内核预先注册自己，以便于将来的请求使用；由目标代码组成，没有形成完整的可执行程序。只是告诉内核，它有了新增的功能，而并不马上使用（执行），只是等待应用程序的调用；而应用程序在加载后就开始执行。

     

3、内核模块所用函数

      内核模块代码编写没有外部的函数库可以用，只能使用内核导出的函数。而应用程序习惯于使用外部的库函数，在编译时将程序与库函数链接在一起。例如对比printf( ) and printk( )。

      所以驱动所用头文件均来自内核源代码，应用程序所用头文件来自库函数。

4、内核模块代码运行空间

      内核代码运行在内核空间，而应用程序在用户空间。应用程序的运行会形成新的进程，而内核模块一般不会。每当应用程序执行系统调用时，linux执行模式从用户空间切换到内核空间。

二、linux内核模块的框架

        最少两个入口点

*模块加载函数   module_init()

*模块卸载函数   module_exit()

      module_init() and module_exit()两个宏定义声明模块的加载函数和卸载函数，这个定义在linux3.14/include/linux/init.h中。内容为：

#define module_init(x) __initcall(x)

//在内核启动或模块加载时执行

#define module_exit(x) __exitcall(x)

//在模块卸载时执行

每一个模块只能有一个module_init 和一个module_exit。

下面我们对比一下应用程序，看看应用程序与内核模块的区别：

#include

int main()
{
     printf("Hello World!\n");

      return 0;
}
#include   //所有内核模块都必须包含这个头文件
＃include    //使用内核信息优先级时要包含这个
＃include         //一些初始化的函数如module_init()

static int hello_init(void)
{
    printk("hello_init");
}
static void hello_exit(void)
{
    printk("hello_exit \n");
}

MODULE_LICENSE("GPL");  //模块许可声明
module_init(hello_init); 加载时候调用该函数insmod
module_exit(hello_exit);卸载时候 rmmod

应用程序和内核模块对比总结如下
                    应用程序                                模块
入口函数          main                             加载时候调用hello_init
函数的调用        /lib                               所有函数可以直接调用
运行空间          用户空间                       内核空间
资源的释放     系统自动释放                 手动释放
                       kill -9 pid   手动释放

三、Linux 内核模块的编译和加载
      其实内核的编译在前面就已经讲过了，现在回顾一下：

linux3.14内核的Makefile分为5个组成部分：

Makefile     最顶层的Makefile 
.config        内核的当前配置文件，编译时成为定层Makefile的一部分
arch/$(ARCH)/Makefile    与体系结构相关的Makefile
s/ Makefile.*      一些Makefile的通用规则
kbuild Makefile           各级目录下的大概约500个文件，编译时根据上层Makefile传下来的宏定义和其他编译规则，将源代码编译成模块或者编入内核
      顶层的Makefile文件读取 .config文件的内容，并总体上负责build内核和模块。Arch Makefile则提供补充体系结构相关的信息。 s目录下的Makefile文件包含了所有用来根据kbuild Makefile 构建内核所需的定义和规则。(其中.config的内容是在make menuconfig的时候，通过Kconfig文件配置的结果，上面已经说过）
     对于大部分内核模块或设备驱动的开发者和使用者来说，最常接触到的就是各层目录下基于kbuild架构的kbuild Makefile文件。主要部分有：

1、目标定义
      目标定义就是用来定义哪些内容要做为模块编译，哪些要编译链接进内核。
      最简单的只有一行，如
            obj-y += foo.o
     表示要由foo.c或者foo.s文件编译得到foo.o并链接进内核，而obj-m则表示该文件要作为模块编译。除了y，m以外的obj-x形式的目标都不会被编译。
由于既可以编译成模块，也可以编译进内核，更常见的做法是根据.config文件的CONFIG_ 变量来决定文件的编译方式，如：
obj-$(CONFIG_HELLO_MODULE) += hello.o 
除了obj-形式的目标以外，还有lib-y library库，hostprogs-y 主机程序等目标，但是基本都应用在特定的目录和场合下

2、多目标
     一个内核模块由多个源文件编译而成，这是Makefile有所不同。
     采用模块名加 –objs后缀或者 –y后缀的形式来定义模块的组成文件。
如以下例子：
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2.o
ext2-y := balloc.o bitmap.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XATTR) += xattr.o
模 块的名字为ext2，由balloc.o和bitmap.o两个目标文件最终链接生成ext2.o 直至ext2.ko文件，是否包括xattr.o取决于内核配置文件的配置情况。如果CONFIG_EXT2_FS的值是y也没有关系，在此过程中生成的 ext2.o将被链接进built-in.o最终链接进内核。这里需要注意的一点是，该kbuild Makefile所在的目录中不应该再包含和模块名相同的源文件如ext2.c/ext2.s
或者写成如-objs的形式：
obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o

3、目录的迭代
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2/
如果CONFIG_EXT2_FS 的值为y或m，kbuild将会将ext2目录列入向下迭代的目标中，但是其作用也仅限于此，具体ext2目录下的文件是要作为模块编译还是链入内核，还是有ext2目录下的Makefile文件的内容来决定的

4、不同的模块编译方式
     编译模块的时候，你可以将模块放在代码树中，用Make modules的方式来编译你的模块，你也可以将模块相关文件目录放在代码树以外的位置，用如下命令来编译模块：
       make -C path/to/kernel/src M=$PWD modules
  -C指定内核源码的根目录，$PWD 或 `PWD` 是当前目录的环境变量，告诉kbuild回到当前目录来执行build操作。

5、模块安装
      当你需要将模块安装到非默认位置的时候，你可以用INSTALL_MOD_PATH 指定一个前缀，如：
     make INSTALL_MOD_PATH=/foo modules_install
模块将被安装到 /foo/lib/modules目录下

注：内核模块是.ko后缀，使内核模块和普通的目标文件区别开。