精选linux内核模块

Couvrir洪荒猛兽

发布时间 2023.09.05阅读数 1345 评论数 1

现代内核派系
宏内核
关键功能（基本功能，不可裁剪、扩展）和服务功能（如文件系统、设备驱动、网络服务等，可裁剪、扩展）均在内核空间提供。运行效率高。扩展性较差。system call（系统调用）能够先入内核态来使用内核提供的服务。

微内核

内核空间只提供关键功能，服务功能在用户空间提供。运行效率较低。安全性、扩展性较高。

在Linux内核源码中有超过50%的代码都与设备驱动相关。Linux为宏内核架构（windows、鸿蒙等为微内核架构），如果开启所有的功能，内核就会变得十分臃肿。内核模块实现了某个功能的一段内核代码，在内核运行过程，可以加载这部分代码到内核，从而动态地增加了内核的功能。基于这种特性，进行设备驱动开发时，以内核模块的形式编写设备驱动，只需要编译相关的驱动代码即可，无需对整个内核进行编译。

在设备驱动开发过程中，用户可以随意将正在测试的驱动程序添加到内核或从内核中移除，每次修改内核模块的代码不需要重新启动内核。

在开发板上，用户也不需要将内核模块程序，或设备驱动程序的ELF文件存放在开发板，免去占用不必要的存储空间。当需要加载内核模块时，可以挂在NFS服务器，将存放在其它设备的内核模块加载到开发板上。

实验环境（野火i.mx 6ull为例）
开发板烧录好Debian镜像。启动开发板，搭建好nfs客户端，挂载共享文件夹。获取Debian镜像的内核源码并编译。（选择4.19.71版本内核，内核模块的功能需要依赖内核提供的各种底层接口。）

注：cat /etc/issue查看镜像日期。新版内核是4.19.35版本（22年之后），看驱动文档的“驱动章节实验环境搭建”。

下载linux内核源码（基于野火linux开发板，ebf-buster-linux存放着内核相关）

git clone -b ebf_4.19.35_imx6ul https://github.com/Embedfire/ebf_linux_kernel.git
git clone  https://gitee.com/Embedfire/ebf_linux_kernel_6ull_depth1

安装必要环境工具库（make工具、gcc交叉编译链、gcc编译工具、bison语法分析器、flex词法分析器、libssl-dev OpenSSL通用库、lzop LZO压缩库的压缩软件）

sudo apt install make gcc-arm-linux-gnueabihf gcc bison flex libssl-dev dpkg-dev lzop

前往ebf-buster-linux目录，执行脚本，一键编译内核

sudo ./make_deb.sh

获取编译出来的内核相关文件（make_deb.sh脚本指定存放路径）

/home/couvrir/桌面/ebf_linux_kernel_6ull_depth1/build_image/build

make_deb.sh如下：

deb_distro=bionic
DISTRO=stable
build_opts="-j 6"
build_opts="${build_opts} O=build_image/build"　　　　　　　　　　　　//O执行编译文件的存放路径
build_opts="${build_opts} ARCH=arm"
build_opts="${build_opts} KBUILD_DEBARCH=${DEBARCH}"
build_opts="${build_opts} LOCALVERSION=-imx-rl"
build_opts="${build_opts} KDEB_CHANGELOG_DIST=${deb_distro}"
build_opts="${build_opts} KDEB_PKGVERSION=l${DISTRO}"
build_opts="${build_opts} CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-"
build_opts="${build_opts} KDEB_SOURCENAME=linux-upstream"
make ${build_opts} npi_v7+defconfig
make ${build_opts}
make ${build_opts} bindeb-pkg

内核模块1
为解决linux内核可扩展性和可维护性相对较差的缺陷。我们编写的内核模块，经过编译，最终形成.ko为后缀的ELF文件。ko文件是elf格式，是一种普通的可重定位目标文件。这类文件包含了代码和数据，可以被用来链接成可执行文件或共享目标文件，静态链接库也可以归为这一类。

内核模块头文件

#include <linux/init.h>      /*包含module_init()和module_exit()函数的声明*/
#include <linux/module.h>    /*包含内核模块信息声明的相关函数*/
#include <linux/kernel.h>    /*包含内核提供的各种函数，如printk*/

内核模块加载与卸载
加载内核模块：insmod
卸载内核模块：rmmod

内核模块出入口
module_init()：加载模块时该函数自动执行，进行初始化操作
module_exit()：卸载模块时该函数自动执行，进行清理操作

内核模块信息声明
MODULE_LICENSE()：表示模块代码接受的软件许可协议，Linux内核遵循GPL V2开源协议，内核模块与linux内核保持一致即可。
MODULE_AUTHOR()：描述模块的作者信息。
MODULE_DESCRIPTION()：对模块的简单介绍。
MODULE_ALIAS()：给模块设置一个别名。

打印函数printk
printf：glibc库实现的打印函数，工作于用户空间。

printk：内核模块无法使用glibc库函数，内核自身实现的一个类printf函数，但是需要指定打印等级。

#include <linux/kernel.h>
/*printk打印等级，数字越小，等级越高*/
#define KERN_EMERG    "<0>"    /*通常是系统崩溃前的信息*/
#define KERN_ALERT    "<1>"    /*需要立即处理的消息*/
#define KERN_CRIT     "<2>"    /*严重情况*/
#define KERN_ERR      "<3>"    /*错误情况*/
#define KERN_WARNING  "<4>"    /*有问题的情况*/
#define KERN_NOTICE   "<5>"    /*注意信息*/
#define KERN_INFO     "<6>"    /*普通消息*/
#define KERN_DEBUG    "<7>"    /*调试信息*/

cat /proc/sys/kernel/printk：查看当前系统printk打印等级。

终端输出：

当前控制台日志级别（小于该等级才能打印在当前控制台）
默认消息日志级别
最小的控制台级别（当前控制台日志级别的最小值）
默认控制台日志级别（没指定等级时默认级别）

dmesg：打印内核所有打印信息。
lsmod：查看当前系统加载内核情况。

内核模块实验1
helloworld.c文件

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

static int __init hello_init(void)              //__init指将这段函数指定保存在__init段内存
{
        printk(KERN_EMERG "[ KERN_EMEGR ] Hello World Module Init\n");  //指定等级
        printk("[ default ] Hello World Module Init\n");                //默认等级
        return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)             //__exit指将这段函数指定保存在__exit段内存
{
        printk("[ default ] GoodBye\n");                                //默认等级
}

module_init(hello_init);                        //hello_init作为模块函数入口
module_exit(hello_exit);                        //hello_exit作为模块函数出口

MODULE_LICENSE("GPL2");                         //表示模块代码接受的软件许可协议
MODULE_AUTHOR("couvrir");                       //描述模块的作者信息
MODULE_DESCRIPTION("hello world module");       //对模块的简单介绍
MODULE_ALIAS("test module");                    //给模块设置一个别名

Makefile文件

KERNEL_DIR=/home/couvrir/桌面/ebf_linux_kernel_6ull_depth1/build_image/build    //将内核源码编译生成的内核文件存放在该路径

ARCH=arm                                //交叉编译的目标架构
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-      //交叉编译的编译工具链
export ARCH CROSS_COMPILE               //将架构和编译链导出到子Makefile，使其在当前shell环境中生效

obj-m:=helloworld.o
all:                                    //默认目标，用于编译所有模块　
        $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) modules    　　//执行内核源码目录的Makefile文件，并将当前目录作为模块的源码目录
//通过执行Makefile文件，可以将helloworld.c文件编译成一个内核模块

.PHONY:clean copy
clean:
        $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) clean        //执行内核源码目录的Makefile文件的clean目标，清理编译生成的文件
copy:
        sudo cp *.ko /home/couvrir/桌面/sharedir           //将ko文件存到共享文件夹

obj-m:=<模块名>.o：指定要编译的模块文件。

-C指定子Makefile的路径，M=描述内核关于内核模块的源码路径。CURDIR为当前目录路径。
make modules：执行linux顶层Makefile的伪目标，它实现内核模块的源码读取并编译为.ko文件。

执行过程
虚拟机：执行make和make copy。生成.ko文件。
开发板（在挂载目录下执行）：

sudo insmod helloworld.ko
dmesg：用于显示内核ring buffer（环形缓冲区）的内容，它可以显示在系统启动期间产生的内核消息，包括硬件设备探测、驱动加载、错误报告等（打印内核所有打印信息）。
lsmod：查看当前系统加载内核情况。
sudo rmmod helloworld

内核模块2
模块参数
根据不同应用场合给内核模块传递不同参数，提高内核模块灵活性。首先定义一个常见变量，然后使用module_param宏把传参值赋给变量。

/*
name: 参数名
type: 参数类型，如int、bool、byte、charp等
perm: 读写权限
    不允许设置可执行权限
    在“/sys/module/模块名/parameters”目录下，会生成该参数对应的文件名（0除外）
*/
module_param(name, type, perm);

内核模块实验2
module_param.c文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
 
static int itype = 0;
module_param(itype, int, 0);
 
static bool btype = 0;
module_param(btype, bool, 0644);
 
static char ctype = 0;
module_param(ctype, byte, 0);
 
static char *stype = 0;
module_param(stype, charp, 0644);
 
static int __init param_init(void)
{
        printk(KERN_ALERT"param_init!\n");
        printk(KERN_ALERT"itype = %d\n", itype);
        printk(KERN_ALERT"btype = %d\n", btype);
        printk(KERN_ALERT"ctype = %d\n", ctype);
        printk(KERN_ALERT"stype = %s\n", stype);
 
        return 0;
}
 
static void __exit param_exit(void)
{
        printk(KERN_ALERT"module exit\n");
}
 
module_init(param_init);
module_exit(param_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("couvrir");
MODULE_DESCRIPTION("param module");
MODULE_ALIAS("test module");

Makefile文件
照旧。

执行过程
虚拟机：执行make和make copy。生成.ko文件。

开发板（在挂载目录下执行）：

sudo insmod module_param.ko itype=123 btype=1 ctype=111 stype=”abc”
sudo rmmod module_param

内核模块3
符号共享
内核模块可以把自己特有的一些符号给导出来，然后可以在不同的内核模块之间进行一个共享。即内核模块共享导出的符号表（变量共享、函数共享）。

EXPORT_SYMBOL(sym)    //参数sym，变量名、函数名

查看符号表：cat /proc/kallsyms | grep xxx

内核模块实验3
module_param.c文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
 
static int itype = 0;
module_param(itype, int, 0);
 
static bool btype = 0;
module_param(btype, bool, 0644);
 
static char ctype = 0;
module_param(ctype, byte, 0);
 
static char *stype = 0;
module_param(stype, charp, 0644);
 
static int __init param_init(void)
{
        printk(KERN_ALERT "param_init!\n");
        printk(KERN_ALERT "itype = %d\n", itype);
        printk(KERN_ALERT "btype = %d\n", btype);
        printk(KERN_ALERT "ctype = %d\n", ctype);
        printk(KERN_ALERT "stype = %s\n", stype);
 
        return 0;
}
 
static void __exit param_exit(void)
{
        printk(KERN_ALERT "module exit\n");
}
 
EXPORT_SYMBOL(itype);
int my_add(int a, int b)
{
        return a+b;
}
EXPORT_SYMBOL(my_add);
int my_sub(int a, int b)
{
        return a-b;
}
EXPORT_SYMBOL(my_sub);
 
module_init(param_init);
module_exit(param_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("couvrir");
MODULE_DESCRIPTION("param module");
MODULE_ALIAS("test module");

calculation.c文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include "calculation.h"
 
static int __init calculation_init(void)
{
        printk(KERN_ALERT "calculation init!\n");
        printk(KERN_ALERT "itype + 1 = %d, itype - 1 = %d\n", my_add(itype, 1), my_sub(itype, 1));
 
        return 0;
}
 
static void __exit calculation_exit(void)
{
        printk(KERN_ALERT "calculation exit\n");
}
 
module_init(calculation_init);
module_exit(calculation_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("couvrir");
MODULE_DESCRIPTION("calculation module");
MODULE_ALIAS("test module");

calculation.h文件

#ifndef __CALCULATION_H__
#define __CALCULATION_H__
 
extern int itype;
int my_add(int a,int b);
int my_sub(int a,int b);
 
#endif /*__CALCULATION_H__*/

Makefile文件

KERNEL_DIR=/home/couvrir/桌面/ebf_linux_kernel_6ull_depth1/build_image/build    //将内核源码编译生成的内核文件存放在该路径
 
ARCH=arm                            
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-  
export ARCH CROSS_COMPILE           
 
obj-m:=module_param.o calculation.o
    
all:
    $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) modules
 
.PHONE:clean copy
clean:
    $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) clean
    sudo rm /home/couvrir/workdir/*.ko
copy:
    sudo cp *.ko /home/couvrir/桌面/sharedir

执行过程
虚拟机：执行make和make copy。生成.ko文件。

开发板（在挂载目录下执行）：

sudo insmod module_param.ko itype=123 btype=1 ctype=200 stype="abc"
sudo insmod calculation.ko
sudo rmmod calculation
sudo rmmod module_param

内核模块4
模块手动加载
加载时，必须先加载相关依赖模块；卸载时，顺序相反。

模块自动加载

uname -r：打印当前内核版本。

sudo cp /mnt/*.ko /lib/modules/4.19.35-imx6/：所有内核模块统一放到“/lib/modulers/内核版本”目录下。

sudo depmod -a：建立模块依赖关系。

cat /lib/modules/4.19.35-imx6/modules.dep | grep calculation：查看模块依赖关系。

sudo modprobe calculation：加载模块及其依赖模块。

sudo modprobe -r calculation：卸载模块及其依赖模块。

linux 源码 Debian 内核模块

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