深入浅出 Linux设备驱动编程内核模块

内核模块

Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载：

（1）直接编译进Linux内核，随同Linux启动时加载；

（2）编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod加载（modprobe和insmod命令类似，但依赖于相关的配置文件），rmmod删除。这种方式控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他部分一样。

下面我们给出一个内核模块的例子：

#include <linux/module.h> //所有模块都需要的头文件

#include <linux/init.h> // init&exit相关宏

MODULE_LICENSE("GPL"); 

static int __init hello_init (void)

{

　printk("Hello module init\n");

　return 0;

}

static void __exit hello_exit (void)

{

　printk("Hello module exit\n");

}

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);

分析上述程序，发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数，前者在 insmod的时候运行，后者在rmmod的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义，否则会出现编译错误。程序中的MODULE_LICENSE("GPL")用于声明模块的许可证。

如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块，可以编写makefile文件如下：

CC =/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc 
KERNELDIR=/home/work/linux-2.4
CFLAGS =-D__KERNEL__ -DMODULE -I$(KERNELDIR)/include -O -Wall 
test.o:test.c

    $(CC)$(CFLAGS) -c $<  

clean:
    rm -rf *.o

由此可见，Linux内核模块的编译需要给arm-linux-gcc指示-D__KERNEL__ -DMODULE 参数。-I选项跟着Linux内核源代码中Include目录的路径。

下列命令将可加载hello模块：

insmod ./hello.o

下列命令完成相反过程：

rmmod hello

如果要将其直接编译入Linux内核，则需要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里，并修改Makefile。

我们有必要补充一下Linux内核编程的一些基本知识：

内存

在Linux内核模式下，我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。进行内核编程时，最常用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h文件中声明的kmalloc()和kfree()，其原型为：

void *kmalloc(unsigned int len, int priority);

void kfree(void *__ptr);

kmalloc的priority参数通常设置为GFP_KERNEL，如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数，因为使用GFP_KERNEL参数可能会引起睡眠，不能用于非进程上下文中（在中断中是不允许睡眠的）。

由于内核态和用户态使用不同的内存定义，所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用Linux中的用户和内核态内存交互函数（这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明）：

unsigned long copy_from_user(void *to,const void *from, unsigned long n);

unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned long len);

copy_from_user、copy_to_user函数返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0。

include/asm/uaccess.h中定义的put_user和get_user用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）。

这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛，关于Linux内存管理的更多细节知识，《内存与I/O操作》进行更加深入地介绍。

输出

在内核编程中，我们不能使用用户态C库函数中的printf()函数输出信息，而只能使用 printk()。但是，内核中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流，它实际上是内核的一种日志机制，用来记录下日志信息或者给出警告提示。每个printk都会有个优先级，内核一共有8个优先级，它们都有对应的宏定义。如果未指定优先级，内核会选择默认的优先级 DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。如果优先级数字比int console_loglevel变量小的话，消息就会打印到控制台上。如果syslogd和klogd守护进程在运行的话，则不管是否向控制台输出，消息都会被追加进/var/log/messages文件。klogd 只处理内核消息，syslogd 处理其他系统消息，比如应用程序。

模块参数

2.4内核下，include/linux/module.h中定义的宏 MODULE_PARM(var,type) 用于向模块传递命令行参数。var为接受参数值的变量名，type为采取如下格式的字符串[min[-max]]{b,h,i,l,s}。min及max 用于表示当参数为数组类型时，允许输入的数组元素的个数范围；b：byte；h：short；i：int；l：long；s：string。

在装载内核模块时，用户可以向模块传递一些参数：

insmod modname var=value

如果用户未指定参数，var将使用模块内定义的缺省值。