高效學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核——內(nèi)核模塊編譯
本文主要講解什么是Linux內(nèi)核，以及通過(guò)多張圖片展示Linux內(nèi)核的作用、功能及基本編程方法，以便于讀者能快速理解什么是Linux內(nèi)核，能看懂Linux內(nèi)核。
擁有超過(guò)1300萬(wàn)行的代碼，Linux內(nèi)核是世界上最大的開(kāi)源項(xiàng)目之一，但是內(nèi)核是什么，它用于什么?
一、什么是linux內(nèi)核模塊？
內(nèi)核是與計(jì)算機(jī)硬件接口的易替換軟件的最低級(jí)別。它負(fù)責(zé)將所有以“用戶模式”運(yùn)行的應(yīng)用程序連接到物理硬件，并允許稱為服務(wù)器的進(jìn)程使用進(jìn)程間通信(IPC)彼此獲取信息。
Linux內(nèi)核與硬件的關(guān)系
內(nèi)核可以通過(guò)所謂的中斷來(lái)管理系統(tǒng)的硬件。 當(dāng)硬件要與系統(tǒng)接口時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷，中斷處理器，從而對(duì)內(nèi)核執(zhí)行相同的操作。 為了提供同步，內(nèi)核可以禁用中斷，無(wú)論是單個(gè)中斷還是全部中斷。 但是，在Linux中，中斷處理程序不是在進(jìn)程上下文中運(yùn)行，而是在不與任何進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的中斷上下文中運(yùn)行，這種特殊的中斷上下文僅是為了讓中斷處理程序快速響應(yīng)單個(gè)中斷然后最終退出而存在 。
linux內(nèi)核整體非常龐大，包含組件特別多，當(dāng)我們把需要的部分包含到內(nèi)核中，直接把需要的所有功能都編譯到內(nèi)核中會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核很大，而且當(dāng)需要新增或者刪除功能，又要重新編譯，非常麻煩，因此linux提供了模塊（Modele）的機(jī)制。
可以把內(nèi)核比喻成一個(gè)很長(zhǎng)的火車，每個(gè)車廂就是一個(gè)內(nèi)核模塊，內(nèi)核在運(yùn)行這個(gè)火車就會(huì)一直在開(kāi)動(dòng)，但是我們想在火車開(kāi)動(dòng)的情況下增加新的車廂，這個(gè)時(shí)候就需要insmod，意思就是往這個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的火車車廂增加一個(gè)內(nèi)核模塊。
模塊的特點(diǎn)：不編譯入內(nèi)核鏡像；一旦加載和內(nèi)核其他部分完全一樣。
為了使讀者對(duì)模塊有個(gè)感性認(rèn)知，先看一下簡(jiǎn)單的HelloWorld模塊，代碼如下：
二、Linux內(nèi)核模塊組成結(jié)構(gòu)
一個(gè)Linux內(nèi)核模塊主要由以下幾個(gè)部分組成。
1）模塊加載函數(shù)（必須）
當(dāng)通過(guò) insmod 或 modprobe命令加載內(nèi)核模塊時(shí)，模塊的加載函數(shù)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，完成本模塊的相關(guān)初始化工作。模塊加載函數(shù)一般以__init標(biāo)識(shí)聲明
static int __init FuntionA(void)
{
}
module_init( FuntionA);
2）模塊卸載函數(shù)（必須）
當(dāng)通過(guò) rmmod 命令卸載某模塊時(shí)，模塊的卸載函數(shù)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，完成與模塊加載函數(shù)相反的功能。 模塊卸載函數(shù)一般以__exit標(biāo)識(shí)聲明：
static void __exit FuntionB(void)
{
}
module_exit( FuntionB );
通常來(lái)說(shuō)，模塊卸載函數(shù)要完成與模塊加載函數(shù)相反的功能，如下所示。
a）若模塊加載函數(shù)注冊(cè)了XXX,則模塊卸載函數(shù)應(yīng)該注銷XXX。
b）若模塊加載函數(shù)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)了內(nèi)存，則模塊卸載函數(shù)應(yīng)釋放該內(nèi)存。
c）若模塊加載函數(shù)申請(qǐng)了硬件資源（中斷，DMA通道，I/O端口和I/O內(nèi)存等）的占用，則模塊卸載函數(shù)應(yīng)釋 放這些硬件資源。
d）若模塊加載函數(shù)開(kāi)啟了硬件，則卸載函數(shù)中一般要關(guān)閉硬件。
3）模塊許可證聲明（必須）
模塊許可證（LICENSE）聲明描述內(nèi)核模塊的許可權(quán)限，如果不聲明 LICENSE，模塊被加載時(shí)，將收到內(nèi)核被污染的警告。大多數(shù)情況下，內(nèi)核模塊應(yīng)遵循GPL 兼容許可權(quán)。
Linux2.6 內(nèi)核模塊最常見(jiàn)的是以MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL”)語(yǔ)句聲明模塊采用BSD/GPL 雙LICENSE
4）模塊參數(shù)（可選）是模塊被加載的時(shí)候可以被傳遞給它的值，它本身對(duì)應(yīng)模塊內(nèi)部的全局變量
用“module_param（參數(shù)名，參數(shù)類型，參數(shù)讀/寫(xiě)權(quán)限）”為模塊定義一個(gè)參數(shù)
例如： module_param(num,int,S_IRUGO);
5）模塊導(dǎo)出符號(hào)（可選）可以導(dǎo)出符號(hào)（symbol，對(duì)應(yīng)于函數(shù)或變量），這樣其它模塊可以使用本模塊中的變量或函數(shù)
可以使用如下宏導(dǎo)出符號(hào)到內(nèi)核符號(hào)表：
EXPORT_SYMBOL(符號(hào)名);
EXPORT_SYMBOL_GPL(符號(hào)名);
6）模塊作者等信息聲明（可選）
我們可以使用MODULE_AUTHOR,MODULE_DESCRIPTION,MODULE_VERSION,MODULE_DEVICE_TABLE,MODULE_ALLAS
分別聲明模塊的作者，描述，版本，設(shè)備表和別名
例如：
MODULE_AUTHOR（author）；
MODULE_DESCRIPTION（description）；
三、Linux內(nèi)核模塊的編譯
首先為HelloWorld模塊編寫(xiě)MakeFile文件
該MakeFile文件應(yīng)該與源碼位于同一目錄
在Makefile中，在obj-m := helloworld.o這句中，.o的文件名要與編譯的.c文件名一致。
如果一個(gè)模塊包含多個(gè).c文件（如file1.c、file2.c）則應(yīng)該使用如下方式編寫(xiě)MakeFile：
Obj -m ：=modulename.o
Modulename -obj ：-file1.o file2.o
KERNELDIR ?= /usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)指示當(dāng)前l(fā)inux系統(tǒng)內(nèi)核的源碼位置。
1.在Makefile及helloworld.c所在目錄下，直接make，成功后查看當(dāng)前目錄下有無(wú)helloworld.ko文件產(chǎn)生，有則內(nèi)核模塊生成成功。
2.使用insmod命令，把此內(nèi)核模塊程序加載到內(nèi)核中運(yùn)行。結(jié)合lsmod及管道命令，查看內(nèi)核模塊程序在內(nèi)核中是否正確運(yùn)行。
四、總結(jié)
本文主要講解了linux內(nèi)核模塊的概念和基本編程方法、內(nèi)核模塊組成結(jié)構(gòu)，由于linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)以內(nèi)核模塊的形式存在，因此了解本文內(nèi)容是編寫(xiě)任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)的必需。
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