linux進階：內核模塊_ZenDei技術網路在線

現代內核派系巨集內核關鍵功能（基本功能，不可裁剪、擴展）和服務功能（如文件系統、設備驅動、網路服務等，可裁剪、擴展）均在內核空間提供。運行效率高。擴展性較差。system call（系統調用）能夠先入內核態來使用內核提供的服務。微內核內核空間只提供關鍵功能，服務功能在用戶空間提供。運行效率較低 ...

現代內核派系

巨集內核

關鍵功能（基本功能，不可裁剪、擴展）和服務功能（如文件系統、設備驅動、網路服務等，可裁剪、擴展）均在內核空間提供。運行效率高。擴展性較差。system call（系統調用）能夠先入內核態來使用內核提供的服務。

微內核

內核空間只提供關鍵功能，服務功能在用戶空間提供。運行效率較低。安全性、擴展性較高。

在Linux內核源碼中有超過50%的代碼都與設備驅動相關。Linux為巨集內核架構（windows、鴻蒙等為微內核架構），如果開啟所有的功能，內核就會變得十分臃腫。內核模塊實現了某個功能的一段內核代碼，在內核運行過程，可以載入這部分代碼到內核，從而動態地增加了內核的功能。基於這種特性，進行設備驅動開發時，以內核模塊的形式編寫設備驅動，只需要編譯相關的驅動代碼即可，無需對整個內核進行編譯。

在設備驅動開發過程中，用戶可以隨意將正在測試的驅動程式添加到內核或從內核中移除，每次修改內核模塊的代碼不需要重新啟動內核。

在開發板上，用戶也不需要將內核模塊程式，或設備驅動程式的ELF文件存放在開發板，免去占用不必要的存儲空間。當需要載入內核模塊時，可以掛在NFS伺服器，將存放在其它設備的內核模塊載入到開發板上。

內核模塊

為解決linux內核可擴展性和可維護性相對較差的缺陷。我們編寫的內核模塊，經過編譯，最終形成.ko為尾碼的ELF文件。ko文件是elf格式，是一種普通的可重定位目標文件。這類文件包含了代碼和數據，可以被用來鏈接成可執行文件或共用目標文件，靜態鏈接庫也可以歸為這一類。

內核模塊頭文件

#include <linux/init.h>      /*包含module_init()和module_exit()函數的聲明*/
#include <linux/module.h>    /*包含內核模塊信息聲明的相關函數*/
#include <linux/kernel.h>    /*包含內核提供的各種函數，如printk*/

內核模塊載入與卸載

載入內核模塊：insmod

卸載內核模塊：rmmod

內核模塊出入口

module_init()：載入模塊時該函數自動執行，進行初始化操作
module_exit()：卸載模塊時該函數自動執行，進行清理操作

內核模塊信息聲明

MODULE_LICENSE()：表示模塊代碼接受的軟體許可協議，Linux內核遵循GPL V2開源協議，內核模塊與linux內核保持一致即可。
MODULE_AUTHOR()：描述模塊的作者信息。
MODULE_DESCRIPTION()：對模塊的簡單介紹。
MODULE_ALIAS()：給模塊設置一個別名。

列印函數printk

printf：glibc庫實現的列印函數，工作於用戶空間。

printk：內核模塊無法使用glibc庫函數，內核自身實現的一個類printf函數，但是需要指定列印等級。

#include <linux/kernel.h>
/*printk列印等級，數字越小，等級越高*/
#define KERN_EMERG    "<0>"    /*通常是系統崩潰前的信息*/
#define KERN_ALERT    "<1>"    /*需要立即處理的消息*/
#define KERN_CRIT     "<2>"    /*嚴重情況*/
#define KERN_ERR      "<3>"    /*錯誤情況*/
#define KERN_WARNING  "<4>"    /*有問題的情況*/
#define KERN_NOTICE   "<5>"    /*註意信息*/
#define KERN_INFO     "<6>"    /*普通消息*/
#define KERN_DEBUG    "<7>"    /*調試信息*/

cat /proc/sys/kernel/printk：查看當前系統printk列印等級。

終端輸出：

當前控制台日誌級別（小於該等級才能列印在當前控制台）

預設消息日誌級別

最小的控制台級別（當前控制台日誌級別的最小值）

預設控制台日誌級別（沒指定等級時預設級別）

dmesg：列印內核所有列印信息。

lsmod：查看當前系統載入內核情況。

實驗環境（野火為例）

開發板燒錄好Debian鏡像。啟動開發板，搭建好nfs客戶端，掛載共用文件夾。獲取Debian鏡像的內核源碼並編譯。（選擇4.19.71版本內核，內核模塊的功能需要依賴內核提供的各種底層介面。）

註：cat /etc/issue查看鏡像日期。新版內核是4.19.35版本（22年之後），看驅動文檔的“驅動章節實驗環境搭建”。

下載linux內核源碼（基於野火linux開發板，ebf-buster-linux存放著內核相關）

git clone https://github.com/Embedfire/ebf-buster-linux.git
git clone https://gitee.com/Embedfire/ebf-buster-linux.git

安裝必要環境工具庫（make工具、gcc交叉編譯鏈、gcc編譯工具、bison語法分析器、flex詞法分析器、libssl-dev OpenSSL通用庫、lzop LZO壓縮庫的壓縮軟體）

sudo apt install make gcc-arm-linux-gnueabihf gcc bison flex libssl-dev dpkg-dev lzop

前往ebf-buster-linux目錄，執行腳本，一鍵編譯內核

sudo ./make_deb.sh

獲取編譯出來的內核相關文件（make_deb.sh腳本指定存放路徑）

/home/couvrir/桌面/ebf-buster-linux/build_image/build

make_deb.sh如下：

deb_distro=bionic
DISTRO=stable
build_opts="-j 6"
build_opts="${build_opts} O=build_image/build"　　　　　　　　　　　　//O執行編譯文件的存放路徑
build_opts="${build_opts} ARCH=arm"
build_opts="${build_opts} KBUILD_DEBARCH=${DEBARCH}"
build_opts="${build_opts} LOCALVERSION=-imx-rl"
build_opts="${build_opts} KDEB_CHANGELOG_DIST=${deb_distro}"
build_opts="${build_opts} KDEB_PKGVERSION=l${DISTRO}"
build_opts="${build_opts} CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-"
build_opts="${build_opts} KDEB_SOURCENAME=linux-upstream"
make ${build_opts} npi_v7+defconfig
make ${build_opts}
make ${build_opts} bindeb-pkg

實驗一

helloworld.c文件

#include <linux/init.h>      
#include <linux/module.h>    
#include <linux/kernel.h>  
 
static int __init hello_init(void)    //__init指將這段函數指定保存在__init段記憶體
{
    printk(KERN_EMERG "[ KERN_EMERG ] Hello World Module Init\n");　　//指定等級
    printk("[ default ] Hello World Module Init\n");　　　　　　　　　　 //預設等級
    return 0;
}
 
static int __exit hello_exit(void)    //__exit指將這段函數指定保存在__exit段記憶體
{
    printk("[ default ] goodbye\n");　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//預設等級
}
 
module_init(hello_init);    //hello_init作為模塊函數入口
module_exit(hello_exit);    //hello_exit作為模塊函數出口
 
MODULE_LICENSE("GPL2");                     //表示模塊代碼接受的軟體許可協議
MODULE_AUTHOR("couvrir");                   //描述模塊的作者信息
MODULE_DESCRIPTION("hello world module");   //對模塊的簡單介紹
MODULE_ALIAS("test module");                //給模塊設置一個別名

Makefile文件

KERNEL_DIR=/home/couvrir/桌面/ebf-buster-linux/build_image/build    //將內核源碼編譯生成的內核文件存放在該路徑

ARCH=arm                                //交叉編譯的目標架構
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-        //交叉編譯的編譯工具鏈
export ARCH CROSS_COMPILE                //將架構和編譯鏈導出到子Makefile，使其在當前shell環境中生效

obj-m:=helloworld.o
all:                                    //預設目標，用於編譯所有模塊　
        $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) modules    //執行內核源碼目錄的Makefile文件，並將當前目錄作為模塊的源碼目錄
//通過執行Makefile文件，可以將helloworld.c文件編譯成一個內核模塊

.PHONY:clean copy
clean:
        $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) clean        //執行內核源碼目錄的Makefile文件的clean目標，清理編譯生成的文件
copy:
        sudo cp *.ko /home/couvrir/workdir                //將ko文件存到共用文件夾

obj-m:=<模塊名>.o：指定要編譯的模塊文件。

-C指定子Makefile的路徑，M=描述內核關於內核模塊的源碼路徑。CURDIR為當前目錄路徑。
make modules：執行linux頂層Makefile的偽目標，它實現內核模塊的源碼讀取並編譯為.ko文件。

執行make、make copy。

然後開發板上sudo insmod xxx.ko。

dmesg：列印內核所有列印信息。

lsmod：查看當前系統載入內核情況。