嵌入式Linux學習筆記(一) 內核模塊編程

1.總結從事嵌入式行業多年，雖然因為工作原因接觸過嵌入式Linux，也參與過相關產品的底層和應用功能開發，但對於嵌入式Linux的內核，驅動，以及上層開發，仍然停留在看的懂，基本會用的水平，沒有過系統深入的去總結，隨著工作年限的遞增，越來越感受到這種浮躁感帶來的技術面瓶頸。既然發現了問題，自然就要 ...

1.總結

　　從事嵌入式行業多年，雖然因為工作原因接觸過嵌入式Linux，也參與過相關產品的底層和應用功能開發，但對於嵌入式Linux的內核，驅動，以及上層開發，仍然停留在看的懂，基本會用的水平，沒有過系統深入的去總結，隨著工作年限的遞增，越來越感受到這種浮躁感帶來的技術面瓶頸。既然發現了問題，自然就要去解決，回想起我踏入嵌入式行業來的經歷，正是對STM32晶元以及網路部分的學習總結筆記支撐我走到如今的地步，那麼沉澱下來，從嵌入式Linux驅動開發開始，對嵌入式Linux進行系統的學習總結也是最符合我目前現狀的解決辦法，這也是我下定決心放棄日常娛樂，開始本系列的由來。

　　嵌入式Linux的掌握學習是很複雜的過程，從最基礎的Linux安裝，shell指令的學習和應用，交叉編譯環境搭建，C語言開發，Linux內核介面，Linux系統介面，在掌握了前面所有知識後，才只是完成了產品開發的基礎構建，這些知識不僅對於學習是難點，對於已經掌握的人來用文字描述清楚，特別是系統/軟體版本引發的編譯，調試問題，在學習以及開發中遇到的問題會抽空整理出來，在本篇中也會涉及部分。如果不理解，要善於使用搜索引擎，嵌入式Linux開發遇到的問題基本都能找到答案，一定要切記。不多說了，下麵開始正篇的說明。

2. 內核模塊實現

嵌入式Linux的驅動都是以模塊的形式出現，掌握內核模塊的實現是必須的。其實簡單來說，Linux定義內核模塊需要實現的介面，開發者只要按照規則用C語言實現這些需要的介面，在按照一定的規則編譯，就可以使用系統指令lsmod/rmmod來說載入和移除自定義的模塊，這套規則就是我們掌握內核模塊需要學習的知識，按照功能分為以下介面:

必須模塊

　　模塊載入函數：module_init(func)

　　模塊卸載函數: module_exit(func)

　　模塊許可聲明：MODULE_LICENSE(“str”)

　　　　支持的許可有: "GPL", "GPL V2", "GPL and additional right", "Dual BSCD/GPL", "DUAL MPL/GPL", "Proprietary"

可選模塊

　　模塊參數 -- 模塊載入時傳遞變數 module_param(name, charp, S_IRUGO);

　　模塊導出符號 --用於將符號導出，用於其它內核模塊使用。

　　　　EXPORT_SYSMBOL(func)/EXPORT_SYSMBOL_GPL(func)

　　　　Linux內核2.6增加了函數校驗機制，後續模塊需要引入時要在Module.symvers下添加導入函數內核的路徑和symbol。

　　模塊作者 -- MODULE_AUTHOR(“str”)

　　模塊描述 -- MODULE_DESCRIPTION(“str”)

　　模塊版本 -- MODULE_VERSION(“str”)

　　模塊別名 -- MODULE_ALIAS(“str”)

　　模塊設備表 -- MODULE_DEVICE_TABLE, 對於USB或者PCI設備需要支持，表示支持的設備，目前不在詳細描述。

　　在瞭解上述模塊的基礎上，就可以實現如下的模塊代碼：

//hello.ko
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>


//extern int add_integar(int a, int b);
static char *buf = "driver";
module_param(buf, charp, S_IRUGO); //模塊參數

static int __init hello_init(void)
{
        int dat = 3; //int dat = add_integar(5, 6);
        printk(KERN_WARNING "hello world enter, %s, %d\n", buf, dat);
        return 0;
}
module_init(hello_init);  //模塊載入函數

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_WARNING "hello world exit\n");
}
module_exit(hello_exit);  　　　　　　　　　　　　//模塊卸載函數

MODULE_AUTHOR("ZC");                      　　 //模塊作者
MODULE_LICENSE("GPL v2");                     //模塊許可協議
MODULE_DESCRIPTION("a simple hello module");  //模塊許描述
MODULE_ALIAS("a simplest module");            //模塊別名

使用Makefile文件如下：

ifeq ($(KERNELRELEASE),)
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
modules:
        $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
        $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
        rm -rf *.o *.ko .depend *.mod.o *.mod.c modules.*
.PHONY:modules modules_install clean
else
obj-m :=hello.o
endif

保存後，使用Make即可編譯，如果遇到編譯錯誤，請先查看文章最後的備註，未包含問題請搜索或者留言，編譯結果如圖所示。

之後執行指令modinfo hello.ko即可查看當前的模塊信息。

如果無法查看信息，可通過dmesg查看載入信息。

2.內核模塊的跨模塊調用

　　上一節可以解決我們遇到的大部分內核實現問題，但某些時候我們可能需要一些公共內核模塊，提供介面給大部分模塊使用，這就涉及到內核模塊的跨模塊調用。

　　對於跨核模塊調用的實現，對於調用的模塊，主要包含2步：

　　　　1、在代碼實現中添加extern int add_integar(int a, int b);

　　　　2、在編譯環境下修改Module.symvers, 添加被鏈接模塊的地址，函數校驗值(可通過查看被鏈接模塊編譯環境下的Module.symvers內複製即可)

　　對於被鏈接的模塊，代碼實現如下:

//math.ko
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

static int __init math_init(void)
{
    printk(KERN_WARNING "math enter\n");
    return 0;
}
module_init(math_init);

static void __exit math_exit(void)
{
    printk(KERN_WARNING "math exit\n");
}
module_exit(math_exit);

int add_integar(int a, int b)
{
        return a+b;
}
EXPORT_SYMBOL(add_integar);

int sub_integar(int a, int b)
{
        return a-b;
}
EXPORT_SYMBOL(sub_integar);

MODULE_LICENSE("GPL V2");

編譯Makefile同上，需要將obj-m :=hello.o修改為obj-m :=math.o

執行make編譯完成該文件，並通過insmod載入完模塊後，可通過

grep integar /proc/kallsyms 查看載入在內核中的符號，狀態如下：

然後載入insmod hello.ko, 即可跨文件調用該介面。如此，便初步完成對Linux內核模塊的學習。

本文參考資料:

　1. 《Linux設備驅動開發詳解:基於最新的Linux4.0內核》第四章

備註：

　　下麵講述編譯遇到的問題和解決方案。

　　1.內核編譯名稱必須為Makefile，否則編譯會出錯

　　　　make[2]: *** No rule to make target `/usr/kernel/hello/Makefile'. Stop.

　　　　make[1]: *** [_module_/usr/kernel/hello] Error 2

　　　　make[1]: Leaving directory `/usr/src/linux-headers-3.5.0-23-generic'

2.Makefile的內容，如果編譯多個文件obj-m :=hello.o test.o

　　3.Makefile中，指令必須以Tab對齊，否則編譯會異常。

　　4.printk不列印，一般來說輸出的KERNEL_INFO為超過最大輸出值，可直接通過dmesg，在系統信息內查看。

　　5.內核跨文件訪問介面

　　除EXPORT_SYSMBOL外，在編譯時Module.symvers需要包含對應函數的校驗值，路徑

　　0x13db98c9 sub_integar /usr/kernel/math/math EXPORT_SYMBOL

　　0xe1626dee add_integar /usr/kernel/math/math EXPORT_SYMBOL

　　否則編譯時報警告

　　　　WARNING: "add_integar" [/usr/kernel/hello/hello.ko] undefined!

　　安裝模塊時出錯

　　　　[ 9091.025357] hello: no symbol version for add_integar

　　　　[ 9091.025360] hello: Unknown symbol add_integar (err -22)