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第三节第一个内核模块

news 文章来源：https://blog.csdn.net/picassocao/article/details/128965524 2025/1/10 23:51:41

hellomodule 实验

实验说明

硬件介绍

本节实验使用到STM32MP157 开发板

实验代码讲解

本章的示例代码目录为：linux_driver/module/hellomodule

从前面我们已经知道了内核模块的工作原理，这一小节就开始写代码了，跟hello world 一样，下面就展示一个最简单hello module 框架。

列表1: hello module 框架

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>static int __init hello_init(void)
{printk(KERN_EMERG "[ KERN_EMERG ] Hello Module Init\n");printk( "[ default ] Hello Module Init\n");return 0;
}static void __exit hello_exit(void)
{printk("[ default ] Hello Module Exit\n");
}module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("hello module");
MODULE_ALIAS("test_module");

类比hello world，接来下理解每一行代码的含义，并最终在Linux 上运行这个模组，验证我们前面的理论，也为下一章驱动打下基础。

代码框架分析

Linux 内核模块的代码框架通常由下面几个部分组成：

模块加载函数(必须)：当通过insmod 或modprobe命令加载内核模块时，模块的加载函数就会自动被内核执行，完成本模块相关的初始化工作。
模块卸载函数(必须)：当执行rmmod 命令卸载模块时，模块卸载函数就会自动被内核自动执行，完成相关清理工作。
模块许可证声明(必须)：许可证声明描述内核模块的许可权限，如果模块不声明，模块被加载时，将会有内核被污染的警告。
模块参数：模块参数是模块被加载时，可以传值给模块中的参数。
模块导出符号：模块可以导出准备好的变量或函数作为符号，以便其他内核模块调用。
模块的其他相关信息：可以声明模块作者等信息。

上面示例的hello module 程序只包含上面三个必要部分以及模块的其他信息声明（模块参数和导出符号将在下一节实验出现）。

头文件包含了<linux/init.h> 和<linux/module.h>，这两个头文件是写内核模块必须要包含的。模块初始化函数hello_init 调用了printk 函数，在内核模块运行的过程中，他不能依赖于C 库函数，因此用不了printf 函数，需要使用单独的打印输出函数printk。该函数的用法与printf 函数类似。完成模块初始化函数之后，还需要调用宏module_init 来告诉内核，使用hello_init 函数来进行初始化。模块卸载函数也用printk 函数打印字符串，并用宏module_exit 在内核注册该模块的卸载函数。最后，必须声明该模块使用遵循的许可证，这里我们设置为GPL2 协议。

头文件

前面我们已经接触过了Linux 的应用编程，了解到Linux 的头文件都存放在/usr/include 中。编写内核模块所需要的头文件，并不在上述说到的目录，而是在Linux 内核源码中的include 文件夹。

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

在这里插入图片描述

编写内核模块中经常要使用到的头文件有以下两个：<linux/init.h> 和<linux/module.h>。我们可以看到在头文件前面也带有一个文件夹的名字linux，对应了include 下的linux 文件夹，我们到该文件夹下，查看这两个头文件都有什么内容。

列表2: init.h 头文件（位于内核源码/include/linux/init.h）

#define module_init(x) __initcall(x);#define module_exit(x) __exitcall(x);

Init.h 头文件主要包含了内核模块的加载、卸载函数的声明，还有一些宏定义，因此，只要我们涉及内核模块的编程，就需要加上该头文件。

列表3: module.h 头文件（位于内核源码/include/linux/module.h）

/* Generic info of form tag = "info" */
#define MODULE_INFO(tag, info) __MODULE_INFO(tag, tag, info)#define MODULE_ALIAS(_alias) MODULE_INFO(alias, _alias)
#define MODULE_LICENSE(_license) MODULE_INFO(license, _license)#define MODULE_AUTHOR(_author) MODULE_INFO(author, _author)

以上代码中，列举了module.h 文件中的部分宏定义，这部分宏定义，有的是可有可无的，但是MODULE_LICENSE 这个是指定该内核模块的许可证，是必须要有的。

模块加载/卸载函数

module_init

回忆我们使用单片机时，假设我们要使用串口等外设时，是不是都需要调用一个初始化函数，在这个函数里面，我们初始化了串口的GPIO，配置了串口的相关参数，如波特率，数据位，停止位等等参数。func_init 函数在内核模块中也是做与初始化相关的工作。

列表4: 内核模块加载函数(位于内核源码/linux/init.h）

static int __init func_init(void)
{
}
module_init(func_init);

返回值：

0：表示模块初始化成功，并会在/sys/module 下新建一个以模块名为名的目录，如下图中的红框处
非0：表示模块初始化失败

在这里插入图片描述

在C 语言中，static 关键字的作用如下：

static 修饰的静态局部变量直到程序运行结束以后才释放，延长了局部变量的生命周期；
static 的修饰全局变量只能在本文件中访问，不能在其它文件中访问；
static 修饰的函数只能在本文件中调用，不能被其他文件调用。

内核模块的代码，实际上是内核代码的一部分，假如内核模块定义的函数和内核源代码中的某个函数重复了，编译器就会报错，导致编译失败，因此我们给内核模块的代码加上static 修饰符的话，那么就可以避免这种错误。

列表5: __init、__initdata 宏定义（位于内核源码/linux/init.h）

#define __init __section(.init.text) __cold notrace
#define __initdata __section(.init.data)

以上代码__init、__initdata 宏定义（位于内核源码/linux/init.h）中的__init 用于修饰函数，__initdata用于修饰变量。带有__init 的修饰符，表示将该函数放到可执行文件的__init 节区中，该节区的内容只能用于模块的初始化阶段，初始化阶段执行完毕之后，这部分的内容就会被释放掉，真可谓是“针尖也要削点铁”。

列表6: module_init 宏定义

#define module_init(x) __initcall(x);

宏定义module_init 用于通知内核初始化模块的时候，要使用哪个函数进行初始化。它会将函数地址加入到相应的节区section 中，这样的话，开机的时候就可以自动加载模块了。

module_exit

理解了模块加载的内容之后，来学习模块卸载函数应该会比较简单。与内核加载函数相反，内核模块卸载函数func_exit 主要是用于释放初始化阶段分配的内存，分配的设备号等，是初始化过程的逆过程。

列表7: 内核模块卸载函数

static void __exit func_exit(void)
{
}
module_exit(func_exit);

与函数func_init 区别在于，该函数的返回值是void 类型，且修饰符也不一样，这里使用的使用__exit，表示将该函数放在可执行文件的__exit 节区，当执行完模块卸载阶段之后，就会自动释放该区域的空间。

列表8: __exit、__exitdata 宏定义

#define __exit __section(.exit.text) __exitused __cold notrace
#define __exitdata __section(.exit.data)

类比于模块加载函数，__exit 用于修饰函数，__exitdata 用于修饰变量。宏定义module_exit 用于告诉内核，当卸载模块时，需要调用哪个函数。

printk 函数

printf：glibc 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。

– #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

查看当前系统printk 打印等级：cat /proc/sys/kernel/printk，从左到右依次对应当前控制台日志级别、默认消息日志级别、最小的控制台级别、默认控制台日志级别。

在这里插入图片描述

打印内核所有打印信息：dmesg，注意内核log 缓冲区大小有限制，缓冲区数据可能被覆盖掉。

许可证

Linux 是一款免费的操作系统，采用了GPL 协议，允许用户可以任意修改其源代码。GPL 协议的主要内容是软件产品中即使使用了某个GPL 协议产品提供的库，衍生出一个新产品，该软件产品都必须采用GPL 协议，即必须是开源和免费使用的，可见GPL 协议具有传染性。因此，我们可以在Linux 使用各种各样的免费软件。在以后学习Linux 的过程中，可能会发现我们安装任何一款软件，从来没有30 天试用期或者是要求输入激活码的。

列表9: 许可证

#define MODULE_LICENSE(_license) MODULE_INFO(license, _license)

内核模块许可证有“GPL”，“GPL v2”，“GPL and additional rights”，“Dual SD/GPL”，“DualMPL/GPL”，“Proprietary”。

函数	作用
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

实验准备

获取内核模块源码，将配套代码/linux_driver/module/hellomodule 解压到内核代码同级目录。

makefile 说明

对于内核模块而言，它是属于内核的一段代码，只不过它并不在内核源码中。为此，我们在编译时需要到内核源码目录下进行编译。编译内核模块使用的Makefile 文件，和我们前面编译C 代码使用的Makefile 大致相同，这得益于编译Linux 内核所采用的Kbuild 系统，因此在编译内核模块时，我们也需要指定环境变量ARCH 和CROSS_COMPILE 的值。

列表13: Makefile (位于linux_driver/module/hellomodule/Makefile)

KERNEL_DIR=../../ebf_linux_kernel/build_image/buildARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
export ARCH CROSS_COMPILEobj-m := hellomodule.o
all:$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) modules.PHONE:clean copyclean:$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) cleancopy:sudo cp *.ko /home/embedfire/workdir

以上代码中提供了一个关于编译内核模块的Makefile。

第1 行：该Makefile 定义了变量KERNEL_DIR，来保存内核源码的目录。
第3-5 行：指定了工具链并导出环境变量
第6 行：变量obj-m 保存着需要编译成模块的目标文件名。
第8 行：’$ (MAKE)modules’实际上是执行Linux 顶层Makefile的伪目标modules。通过选项’-C’，可以让make
工具跳转到源码目录下读取顶Makefile。’M=$(CURDIR)’表明返回到当前目录，读取并执行当前目录的Makefile，开始编译内核模块。CURDIR是make 的内嵌变量，自动设置为当前目录。

编译命令说明

在实验目录下输入如下命令来编译驱动模块：

make

编译成功后，实验目录下会生成名为“hellomodule.ko”的驱动模块文件

程序运行结果

如何使用内核模块

我们如愿编译了自己的内核模块，接下来就该了解如何使用这个内核模块了。将hellomodule.ko通过scp 或NFS 拷贝到开发板中，我们来逐一讲解这些工具。

lsmod

lsmod 列出当前内核中的所有模块，格式化显示在终端，其原理就是将/proc/modules 中的信息调整一下格式输出。lsmod 输出列表有一列Used by，它表明此模块正在被其他模块使用，显示了模块之间的依赖关系。

在这里插入图片描述

insmod

如果要将一个模块加载到内核中，insmod 是最简单的办法，insmod+ 模块完整路径就能达到目的，前提是你的模块不依赖其他模块，还要注意需要sudo 权限。如果你不确定是否使用到其他模块的符号，你也可以尝试modprobe，后面会有它的详细用法。

通过insmod 命令加载hellomodule.ko 内存模块加载该内存模块的时候，该内存模块会自动执行module_init() 函数，进行初始化操作，该函数打印了‘hello module init’。再次查看已载入系统的内核模块，我们就会在列表中发现hellomodule.ko 的身影。

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在我们内核模块传参与符号共享实验这一小节，calculation.ko 和parametermodule.ko。其中calculation.ko 依赖parametermodule.ko 中的参数和函数，所以先手动加载parametermodule.ko，然后再加载calculation.ko。

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同样卸载的时，parametermodule.ko 中的参数和函数被calculation.ko 调用，必须先卸载calculation.ko再卸载parametermodule.ko，否则会报错”ERROR: Moduleparametermodule is in use by: calculation”

在这里插入图片描述

modprobe

modprobe 和insmod 具备同样的功能，同样可以将模块加载到内核中，除此以外modprobe 还能检查模块之间的依赖关系，并且按照顺序加载这些依赖，可以理解为按照顺序多次执行insmod。

在内核模块传参与符号共享实验中，calculation.ko 和parametermodule.ko 需要按照先后次序依次加载，而使用modprobe 工具，可以直接加载parametermodule.ko，当然modprobe 之前需要先用depmod -a 建立模块之间的依赖关系。

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depmod

modprobe 是怎么知道一个给定模块所依赖的其他的模块呢？在这个过程中，depend 起到了决定性作用，当执行modprobe 时，它会在模块的安装目录下搜索module.dep 文件，这是depmod 创建的模块依赖关系的文件。

rmmod

rmod 工具仅仅是将内核中运行的模块删除，只需要传给它路径就能实现。

rmmod 命令卸载某个内存模块时，内存模块会自动执行*_exit() 函数，进行清理操作，我们的hellomodule 中的*_exit() 函数打印了一行内容，但是控制台并没有显示，可以使用dmesg 查看，之所以没有显示是与printk 的打印等级有关，前面有关于printk 函数有详细讲解。rmmod 不会卸载一个模块所依赖的模块，需要依次卸载，当然是modprobe -r 可以一键卸载。

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modinfo

modinfo 用来显示我们在内核模块中定义的几个宏。我们可以通过modinfo 来查看hellomodule，我们从打印的输出信息中，可以了解到，该模块遵循的是GPL 协议，该模块的作者是embedfire，该模块的vermagic 等等。而这些信息在模块代码中由相关内核模块信息声明函数声明

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系统自动加载模块

我们自己编写了一个模块，或者说怎样让它在板子开机自动加载呢？这里就需要用到上述的depmod和modprobe 工具了。

首先需要将我们想要自动加载的模块统一放到”/lib/modules/内核版本”目录下，内核版本使用’uname -r’查询；其次使用depmod 建立模块之间的依赖关系，命令’depmod -a’；这个时候我们就可以在modules.dep 中看到模块依赖关系，可以使用如下命令查看；

cat /lib/modules/内核版本/modules.dep | grep calculation

最后在/etc/modules 加上我们自己的模块，注意在该配置文件中，模块不写成.ko 形式代表该模块与内核紧耦合，有些是系统必须要跟内核紧耦合，比如mm 子系统，一般写成.ko 形式比较好，如果出现错误不会导致内核出现panic 错误，如果集成到内核，出错了就会出现panic。

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然后重启开发板，lsmod 就能查看到我们的模块开机就被加载到内核里面了。

实验代码讲解

本节实验验证内核模块传参和符号共享。

内核模块传参代码讲解

内核模块作为一个可拓展的动态模块，为Linux 内核提供了灵活性，但是有时我们需要根据不同的应用场景给内核传递不同的参数，例如在程序中开启调试模式、设置详细输出模式以及制定与具体模块相关的选项，都可以通过参数的形式来改变模块的行为。

Linux 内核提供一个宏来实现模块的参数传递

列表14: module_param 函数(内核源码/include/linux/moduleparam.h)

#define module_param(name, type, perm) \\
module_param_named(name, name, type, perm)
#define module_param_array(name, type, nump, perm) \\
module_param_array_named(name, name, type, nump, perm)

以上代码中的module_param 函数需要传入三个参数：

name：我们定义的变量名；
type：参数的类型，目前内核支持的参数类型有byte，short，ushort，int，uint，long，ulong，charp，bool，invbool。其中charp表示的是字符指针，bool 是布尔类型，其值只能为0 或者是1；invbool 是反布尔类型，其值也是只能取0 或者是1，但是true值表示0，false 表示1。变量是char 类型时，传参只能是byte，char * 时只能是charp。
perm：表示的是该文件的权限，具体参数值见下表。

表文件权限

表1: 文件权限:header: “用户组”, “标志位”,”解释”:widths: 10, 10,30

当前用户	S_IRUSR	用户拥有读权限
	S_IWUSR	用户拥有写权限
当前用户组	S_IRGRP	当前用户组的其他用户拥有读权限
	S_IWUSR	当前用户组的其他用户拥有写权限
其他用户	S_IROTH	其他用户拥有读权限
	S_IWOTH	其他用户拥有写权限

上述文件权限唯独没有关于可执行权限的设置，请注意，该文件不允许它具有可执行权限。如果强行给该参数赋予表示可执行权限的参数值S_IXUGO，那么最终生成的内核模块在加载时会提示错误，见下图。

在这里插入图片描述

下面是我们一个实验代码：

列表15: 示例程序

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;
}

第1-11 行：定义了四个常见变量然后使用module_param 宏来声明这四个参数
第13-21 行：并在param_init 中输出上面声明的四个参数。

我们定义的四个模块参数，会在‘/sys/module/模块名/parameters’下会存在以模块参数为名的文件。由于itype 和ctype 的权限是0，所以我们没有权限查看该参数。

在这里插入图片描述

符号共享代码讲解

在前面我们已经详细的分析了关于导出符号的内核源码，符号指的就是在内核模块中导出函数和变量，在加载模块时被记录在公共内核符号表中，以供其他模块调用。这个机制，允许我们使用分层的思想解决一些复杂的模块设计。我们在编写一个驱动的时候，可以把驱动按照功能分成几个内核模块，借助符号共享去实现模块与模块之间的接口调用，变量共享。

列表16: 导出符号

#define EXPORT_SYMBOL(sym) \\
__EXPORT_SYMBOL(sym, "")

EXPORT_SYMBOL 宏用于向内核导出符号，这样的话，其他模块也可以使用我们导出的符号了。下面通过一段代码，介绍如何使用某个模块导出符号。

列表17: parametermodule.c

... 省略代码...
static int itype=0;
module_param(itype,int,0);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);
... 省略代码...

第2-3 行：定义了参数itype，并通过EXPORT_SYMBOL 宏导出
第7-12 行：和my_add，并通过EXPORT_SYMBOL 宏导出
第14-21 行：my_sub 函数，并通过EXPORT_SYMBOL 宏导出

以上代码中，省略了内核模块程序的其他内容，如头文件，加载/卸载函数等。

列表18: calculation.h

#ifndef __CALCULATION_H__
#define __CALCULATION_H__extern int itype;int my_add(int a, int b);
int my_sub(int a, int b);#endif

声明额外的变量itype，my_add 和my_sub 函数。

列表19: calculation.c

... 省略代码...
#include "calculation.h"... 省略代码...
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;
}
... 省略代码...

calculation.c 中使用extern 关键字声明的参数itype，调用my_add()、my_sub() 函数进行计算。

实验准备

获取内核模块源码，将配套代码/linux_driver/module/parametermoudule 解压到内核代码同级目录。

makefile 说明

列表20: Makefile (位于linux_driver/module/hellomodule/Makefile)

... 省略代码...
obj-m := parametermodule.o calculation.o
... 省略代码...

以上Makefile 与上一个实验，只有目标文件不同。

编译命令说明

在实验目录下输入如下命令来编译驱动模块：

make

在这里插入图片描述

编译成功后，实验目录下会生成名为“parametermodule.o“和“calculation.o “的驱动模块文件

程序运行结果

通过NFS 将编译好的module_param.ko 拷贝到开发板中，加载module_param.ko 并传参，这时我们声明的四个变量的值，就是变成了我们赋的值。

sudo insmod parametermodule.ko itype=123 btype=1 ctype=200 stype=abc

在这里插入图片描述

查看向内核导出的符号表‘cat /proc/kallsyms’

在这里插入图片描述

参考资料：嵌入式Linux 驱动开发实战指南-基于STM32MP1 系列

hellomodule 实验

实验说明

硬件介绍

实验代码讲解

代码框架分析

头文件

模块加载/卸载函数

许可证

相关信息声明

实验准备

makefile 说明

编译命令说明

程序运行结果

如何使用内核模块

系统自动加载模块

实验代码讲解

内核模块传参代码讲解

符号共享代码讲解

实验准备

makefile 说明

编译命令说明

程序运行结果

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