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内核模块是Linux内核向外部提供的一个插口，其全称为动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），我们简称为模块。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。<br /><br />一、什么是模块<br />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、一个驱动程序或其他内核上层的功能。<br /><br />二、编写一个简单的模块<br />模块和内核都在内核空间运行，模块编程在一定意义上说就是内核编程。因为内核版本的每次变化，其中的某些函数名也会相应地发生变化，因此模块编程与内核版本密切相关。以下例子针对2.6内核<br /><br />1．程序举例<br /><br /><br />代码:<br />hellomod.c001// hello world driver for Linux 2.6 004 #include <linux/module.h>005 #include <linux/kernel.h>006 #include <linux/init.h> /* 必要的头文件*/ 009 static int __init lkp_init( void ){ printk('<1>Hello,World! from the kernel space...\n'); return 0;013 } 015 static void __exit lkp_cleanup( void ){ printk('<1>Goodbye, World! leaving kernel space...\n');018 } 020 module_init(lkp_init);021 module_exit(lkp_cleanup);022 MODULE_LICENSE('GPL');<br /><br />2．说明 <br />第4行：所有模块都要使用头文件module.h，此文件必须包含进来。<br /><br />第5行：头文件kernel.h包含了常用的内核函数。<br /><br />第6行：头文件init.h包含了宏_init和_exit，它们允许释放内核占用的内存。建议浏览一下该文件中的代码和注释。<br /><br />第9-12行：这是模块的初始化函数，它必需包含诸如要编译的代码、初始化数据结构等内容。<br /><br />第11行使用了printk()函数，该函数是由内核定义的，功能与C库中的printf()类似，它把要打印的信息输出到终端或系统日志。字符串中的<1>是输出的级别，表示立即在终端输出。 <br /> <br />第15-18行：这是模块的退出和清理函数。此处可以做所有终止该驱动程序时相关的清理工作。<br /><br />第20行：这是驱动程序初始化的入口点。对于内置模块，内核在引导时调用该入口点；对于可加载模块则在该模块插入内核时才调用。<br /><br />第21行：对于可加载模块，内核在此处调用module_cleanup（）函数，而对于内置的模块，它什么都不做。 <br /><br />第22行：提示可能没有GNU公共许可证。有几个宏是在2.4版的内核中才开发的（详情参见modules.h）。 <br /><br />函数module_init()和cleanup_exit()是模块编程中最基本也是必须的两个函数。module_init()向内核注册模块所提供的新功能，而cleanup_exit()注销由模块提供的所有功能。<br /> <br /> <br />模块编程属于内核编程，因此，除了对内核相关知识有所了解外，还需要了解与模块相关的知识。<br />1．应用程序与内核模块的比较<br />为了加深对内核模块的了解，表一给出应用程序与内核模块程序的比较。<br />表一 应用程序与内核模块程序的比较 <br />C语言应用程序<br /> 内核模块程序<br /><br />使用函数<br /> Libc库<br /> 内核函数<br /><br />运行空间<br /> 用户空间<br /> 内核空间<br /><br />运行权限<br /> 普通用户<br /> 超级用户<br /><br />入口函数<br /> main()<br /> module_init()<br /><br />出口函数<br /> exit()<br /> module_exit()<br /><br />编译<br /> Gcc –c<br /> Makefile <br />连接<br /> Gcc<br /> insmod<br /><br />运行<br /> 直接运行<br /> insmod<br /><br />调试<br /> Gdb<br />kdbug, kdb,kgdb等<br /><br />从表一我们可以看出，内核模块程序不能调用libc库中的函数，它运行在内核空间，且只有超级用户可以对其运行。另外，模块程序必须通过module_init()和module-exit()函数来告诉内核“我来了”和“我走了”。<br /><br /><br />2．内核符号表（如果对以下第2~4点理解上有困难，可以越过）<br /><br />如前所述，Linux内核是一个整体结构，像一个圆球，而模块是插入到内核中的插件。尽管内核不是一个可安装模块，但为了方便起见，Linux把内核也看作一个“母”模块。那么模块与模块之间如何进行交互呢，一种常用的方法就是共享变量和函数。但并不是模块中的每个变量和函数都能被共享，内核只把各个模块中主要的变量和函数放在一个特定的区段，这些变量和函数就统称为符号。到低哪些符号可以被共享？ Linux内核有自己的规定。对于内核这个特殊的母模块，在kernel/ksyms.c中定义了从中可以“移出”的符号，例如进程管理子系统可以“移出”的符号定义如下：<br /><br />/* 进程管理 */<br /><br />EXPORT_SYMBOL(do_mmap_pgoff);<br /><br />EXPORT_SYMBOL(do_munmap);<br /><br />EXPORT_SYMBOL(do_brk);<br /><br />EXPORT_SYMBOL(exit_mm);<br /><br />…<br /><br /> EXPORT_SYMBOL(schedule);<br /><br /> EXPORT_SYMBOL(jiffies);<br /><br /> EXPORT_SYMBOL(xtime);<br /><br /> …<br /><br />你可能对这些变量和函数已经很熟悉。其中宏定义EXPORT_SYMBOL（）本身的含义是“移出符号”。为什么说是“移出”呢？因为这些符号本来是内核内部的符号，通过这个宏放在一个公开的地方，使得装入到内核中的其他模块可以引用它们。<br /><br />实际上，仅仅知道这些符号的名字是不够的，还得知道它们在内核地址空间中的地址才有意义。因此，内核中定义了如下结构来描述模块的符号：<br /><br />struct module_symbol<br /><br />{<br /><br /> unsigned long value; ／*符号在内核地址空间中的地址*/<br /><br /> const char *name; /*符号名*/<br /><br />};<br /><br />我们可以从/proc/ksyms文件中读取所有内核模块“移出”的符号，这所有符号就形成内核符号表，其格式如下：<br /><br /><br />内存地址 符号名 ［所属模块］<br /><br /><br />在模块编程中，可以根据符号名从这个文件中检索出其对应的地址，然后直接访问该地址从而获得内核数据。第三列“所属模块”指符号所在的模块名，对于从内核这一母模块移出的符号，这一列为空。<br /><br /> 模块加载后，2.4内核下可通过 /proc/ksyms、 2.6 内核下可通过/proc/kallsyms查看模块输出的内核符号<br /><br />3．模块依赖<br /><br /> 如前所述，内核符号表记录了所有模块可以访问的符号及相应的地址。当一个新的模块被装入内核后，它所申明的某些符号就会被登记到这个表中，而这些符号可能被其他模块所引用，这就引出了模块依赖这个问题。<br /><br /> 一个模块A引用另一个模块B所移出的符号，我们就说模块B被模块A引用，或者说模块A依赖模块B。如果要链接模块A，必须先链接模块B。这种模块间相互依赖的关系就叫模块依赖。<br /><br />4．模块引用计数器<br /><br /> 为了确保模块安全地卸载，每个模块都有一个引用计数器。当执行模块所涉及的操作时就递增计数器，在操作结束时就递减这个计数器；另外，当模块B被模块A引用时，模块B的引用计数就递增，引用结束，计数器递减。什么时候可以卸载这个模块？当然只有这个计数器值为0的时候，例如，当一个文件系统还被安装在系统上时就不能将其卸载，当这个文件系统不再被使用时，引用计数器就为0，于是可以卸载。<br /><br />四．模块编译<br /><br /> Linux 中最重要的软件开发工具是 GCC。GCC 是 GNU 的 C 和 C++ 编译器。但是，在大型的开发项目中，通常有几十到上百个的源文件，如果每次均手工键入 gcc 命令进行编译的话，则会非常不方便。因此，人们通常利用 make 工具来自动完成编译工作。利用这种自动编译可大大简化开发工作，避免不必要的重新编译。这些工作包括：如果仅修改了某几个源文件，则只重新编译这几个源文件；如果某个头文件被修改了，则重新编译所有包含该头文件的源文件。<br /><br />1．编译工具make<br /><br />实际上，make 工具通过一个称为 Makefile 的文件来完成并自动维护编译工作。Makefile 需要按照某种语法进行编写，其中说明了如何编译各个源文件并连接生成可执行文件，并定义了源文件之间的依赖关系。下面给出2.6 内核模块的Makefile模板（有点复杂，实在看不懂，可以仅作参考）<br /># Makefile2.6<br />ifneq ($(KERNELRELEASE),)<br />#kbuild syntax. dependency relationshsip of files and target modules are listed here.<br />mymodule-objs := file1.o file2.o<br /> obj-m := mymodule.o <br />else<br /> PWD := $(shell pwd)<br /> KVER ?= $(shell uname -r)<br /> KDIR := /lib/modules/$(KVER)/build<br />all: <br /> $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) <br />clean:<br /> rm -rf .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions<br />endif<br /><br />KERNELRELEASE是在内核源码的顶层Makefile中定义的一个变量，在第一次读取执行此Makefile时，KERNELRELEASE没有被定义， 所以make将读取执行else之后的内容。如果make的目标是clean，直接执行clean操作，然后结束。当make的目标为all时，-C $(KDIR) 指明跳转到内核源码目录下读取那里的Makefile；M=$(PWD) 表明然后返回到当前目录继续读入、执行当前的Makefile。当从内核源码目录返回时，KERNELRELEASE已被被定义，kbuild也被启动去解析kbuild语法的语句，make将继续读取else之前的内容。else之前的内容为kbuild语法的语句, 指明模块源码中各文件的依赖关系，以及要生成的目标模块名。mymodule-objs := file1.o file2.o表示mymoudule.o 由file1.o与file2.o 连接生成。obj-m := mymodule.o表示编译连接后将生成mymodule.o模块。<br />补充一点，'$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD)'与'$(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS =$(PWD)'的作用是等效的，后者是较老的使用方法。推荐使用M而不是SUBDIRS，前者更明确。<br />通过以上比较可以看到，从Makefile编写来看，在2.6内核下，内核模块编译不必定义复杂的CFLAGS，而且模块中各文件依赖关系的表示简洁清晰。<br /><br /><br /> 例如，要把第一部分中所提到的hellomod.c编译成一个模块，简单的使用GCC无法完成。最好写一个Makefile文件，内容如下（以后写其他模块的Makefile可以如法**制，改变一下模块名字即可）<br /> <br />obj-m += hellomod.o<br />all:<br /> make -C /usr/src/linux M=$(PWD) modules<br />clean:<br /> make -C /usr/src/linux M=$(PWD) clean <br /><br /> 在这里要特别说明的是，/usr/src/linux 中的Linux目录，因发布版不同而不同，比如在我安装的Ubuntu下为linux-headers-2.6.20.16-generic，因此，只需要建立一个针对Linux的符号链接就可以。<br />有了Makefile,执行make命令，会自动形成相关的后缀为.o和.ko文件。<br /> 到此，模块编译好了，该把它插入到内核了：<br /> 如：insmod hellomod.ko<br /><br /> 是否插入成功可以通过dmesg命令查看，屏幕最后几行的输出就是你程序中输出的内容。<br /> 当不再模块需要时，可以通过rmmod命令移去。<br /> <br /> <br />modutils是管理内核模块的一个软件包。可以在任何获得内核源代码的地方获取Modutils(modutils-x.y.z.tar.gz)源代码，然后选择最高级别的patch.x.y.z等于或小于当前的内核版本，安装后在/sbin目录下就会有insomod、rmmod、ksyms、lsmod、modprobe等实用程序。当然，通常我们在加载Linux内核时，modutils已经被载入。<br /><br />1．Insmod命令<br /> 调用insmod程序把需要插入的模块以目标代码的形式插入到内核中。在插入的时候，insmod自动调用init_module()函数运行。注意，只有超级用户才能使用这个命令，其命令格式为：<br /># insmod [path] modulename.c<br /><br />2. rmmod命令<br /> 调用rmmod程序将已经插入内核的模块从内核中移出，rmmod会自动运行cleanup_module()函数，其命令格式为：<br /> #rmmod [path] modulename.c<br /><br />3．lsmod命令<br /> 调用lsmod程序将显示当前系统中正在使用的模块信息。实际上这个程序的功能就是读取/proc文件系统中的文件/proc/modules中的信息，其命令格式为：<br /> #lsmod<br /><br />4．ksyms命令<br /> ksyms这个程序用来显示内核符号和模块符号表的信息。与lsmod相似，它的功能是读取/proc文件系统中的另一个文件/proc/kallsyms。<br />在此，我们将编写一个模块，其中有一个中断函数，当内核接收到某个 IRQ 上的一个中断时会调用它。先给出全部代码，读者自己调试，把对该程序的理解跟到本贴后面。<br /><br />----------------------------------------<br /><br />#include <br />#include <br />#include <br /><br />static int irq;<br />static char *interface;<br /><br />//MODULE_PARM_DESC(interface,'A network interface'); 2.4内核中该宏的用法<br />molule_parm(interface,charp,0644) //2.6内核中的宏<br />//MODULE_PARM_DESC(irq,'The IRQ of the network interface');<br />module_param(irq,int,0644);<br /><br />static irqreturn_t myinterrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)<br />{<br /> static int mycount = 0;<br /> if (mycount < 10) {<br /> printk('Interrupt!\n');<br /> mycount++;<br /> }<br /> return IRQ_NONE;<br />}<br />static int __init myirqtest_init(void)<br />{ <br /> printk ('My module worked!11111\n');<br /> if (request_irq(irq, &myinterrupt, SA_SHIRQ,interface, &irq)) {<br /> printk(KERN_ERR 'myirqtest: cannot register IRQ %d\n', irq);<br /> return -EIO;<br /> }<br /> printk('%s Request on IRQ %d succeeded\n',interface,irq);<br /> return 0;<br />}<br />static void __exit myirqtest_exit(void)<br />{<br /> printk ('Unloading my module.\n');<br /> free_irq(irq, &irq);<br /> printk('Freeing IRQ %d\n', irq);<br /> return;<br />}<br />module_init(myirqtest_init);<br />module_exit(myirqtest_exit);<br />MODULE_LICENSE('GPL');<br /><br /><br />----------------------------------------<br />这里要说明的是，在插入模块时，可以带两个参数，例如<br />insmod myirq.ko interface=eth0 irq=9<br /><br />其中 具体网卡 irq的值可以查看 cat /proc/interrupts<br /> |
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