Linux内核模块解析-优快云博客

一、 Linux内核模块概念

内核模块是Linux内核向外部提供的一个接口，其全称为动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），简称为模块。Linux内核之所以提供模块机制，是因为它本身是一个单内核（monolithic kernel）。单内核的最大优点是效率高，因为所有的内容都集成在一起，但其缺点是可扩展性和可维护性相对较差，模块机制就是为了弥补这一缺陷。
模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程是不同的。模块通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序或其它内核上层的功能。

总之，模块是一个为内核（从某种意义上来说，内核也是一个模块）或其他内核模块提供使用功能的代码块。

二、 Linux内核模块的优缺点

内核模块的动态装载性具有如下优点：

将内核映象的尺寸保持在最小，并具有最大的灵活性；
便于检验新的内核代码，而不需重新编译内核并重新引导。

但是，内核模块的引入也带来了如下问题：

对系统性能和内存利用有负面影响；
装入的内核模块和其他内核部分一样，具有相同的访问权限，因此，差的内核模块会导致系统崩溃；
为了使内核模块访问所有内核资源，内核必须维护符号表，并在装入和卸载模块时修改这些符号表；
有些模块要求利用其他模块的功能，因此，内核要维护模块之间的依赖性。
内核必须能够在卸载模块时通知模块，并且要释放分配给模块的内存和中断等资源；
内核版本和模块版本的不兼容，也可能导致系统崩溃，因此，严格的版本检查是必需的。

尽管内核模块的引入同时也带来不少问题，但是模块机制确实是扩充内核功能一种行之有效的方法，也是在内核
级进行编程的有效途径

三、 Linux内核模块的基本框架

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

static int __init Init(void)
{
//代码块
return 0;
}

static void __exit Exit(void)
{
//代码块
}

module_init(Init);
module_exit(Exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

说明：
1. #include <linux/init.h>包含module_init(x)、module_exit(x)等宏定义
2. #include <linux/kernel.h>包含printk等内核封装函数

这些头文件是一个模块最基本的头文件，当我们写一个模块的时候需要加这几个头文件，这几个头文件中有我们模块中最基本的一些符号的定义，即结构体、宏等的定义。

3. module_init(x)修饰Init()，告诉内核加载函数
4. module_exit(x)修饰Exit()，告诉内核卸载函数
5. MODULE_LICENSE("GPL")为遵循GPL规范，内核对驱动的管理十分严格，对应不遵循GPL规范的驱动，内核不愿意非GPL的模块加入内核。一个非GPL模块加入内核的时候，内核会认为内核被污染了而报错。
另外，Linux内核识别的许可证有“GPL”——任意版本的GNU通用公共许可证、“GPL v2”——GPL第二版、
“GPL and additional rignts”——GPL及附加权利、“DualBSD/GPL”——BSD/GPL双许可证和“Proprietary”
——专有等。

6. 内核模块编程特点
<1>不能使用C库和C标准头文件
<2>必须使用GNU规范
<3>没有内存保护机制
<4>不能处理浮点运算
<5>注意同步和并发的问题
<6>注意可移植性

四、内核模块实例（基于：linux-2.6.35.7, s5pv210）

1. Linux内核模块下一个简单的驱动程序编写：module_demo.c

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

	//加载函数
	static int __init Demo_Init(void)
	{
		printk("Demo init\n");
		return 0;
	}

	//卸载函数
	static void __exit Demo_Exit(void)
	{
		printk("Demo exit\n");
	}

	module_init(Demo_Init);		//程序入口
	module_exit(Demo_Exit);		//程序出口
	MODULE_LICENSE("GPL");		//遵循GPL规范

2. Linux内核模块下驱动程序编译
对驱动程序的编译需具备如下要求：
1. 操作系统版本：内核源码的版本要和驱动安装的目标内核版本一致。
2. 处理器的版本：内核源码要针对具体的硬件平台配置过(如arm、x86平台的不同版本)
3. 工具链：内核源码要编译过。

编写Makefile编译：

KERNEL_DIR=/home/gec/linux-2.6.35.7-gec-v3.0-gt110		//内核源码所在目录
	PWD=$(shell pwd)

	obj-m += module_demo.o 	

	modules:
		$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules
	clean:
		$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules clean

3. Linux内核模块下驱动程序调试
几个常用命令：
lsmod：查看当前已加载的模块
insmod：加载模块,内核会执行模块加载函数
rmmod：卸载模块,内核会执行模块卸载函数
modinfo：查看模块信息,需要模块信息文件(modules.dep)的支持
modprobe：加载模块，内核会执行模块加载函数

insmod与modprobe的区别：
1. modprobe需要模块信息文件(modules.dep)的支持
2. modprobe会检查模块的依赖,自动加载依赖的模块

模块的依赖：一个模块使用了另一个模块的变量或函数，这个模块就依赖于另一个模块。其次，如果一个模块中的变量或者函数
希望被被的模块使用，需要将对应的变量或者函数导出。导出方法：
1. EXPORT_SYMBOL：导出的内容所有模块都能使用
2. EXPORT_SYMBOL_GPL：导出的内容只有遵循GPL协议的模块才能使用

五、 Linux驱动程序设计与应用程序设计的区别

1. 应用程序有入口（main函数），但是没有出口。驱动程序有入口也有出口。
2. 应用程序编程的时候可以使用标准的C库，即可以使用libc提供的函数。驱动程序不能使用标准的C库，只能使用内核提供的函数。
3. 驱动程序稳定的、精简、可移植性
4. 应用程序和驱动程序的编译过程不同，驱动程序编译的时候，需要内核源码。