LDD学习笔记 -- 内核模块
- 简介
- LKM类型
- Static Linux Kernel Module
- Dynamic Linux Kernel Module
- LKM编写语法 @syntax@
- 详细描述
- 内核头文件
- 用户空间头文件
- Module Initialization Function
- Module Cleanup Function
- Keyword & Tag
- 宏 __init __exit
- LKM入口注册
- Module Metadate（Module Description）
- 构建内核模块 Building
- In tree module
- Out of tree module
- Out of tree module building
- Kernel Build System
- 在host系统上构建并安装内核模块
- 为Target系统构建并安装内核模块
- Makefile完善
- In tree module building
简介
在运行时添加 / 删除的代码
Linux支持在系统启动和运行时从内核中动态的插入或移除代码。在运行时添加/删除的代码叫做内核模块。
Linux内核模块通过向内核引入新的功能（安全、设备驱动、文件系统驱动、系统调用、其他）来动态的扩展内核的功能。模块化的方法，像正在运行的内核的插件。
嵌入式Linux系统可以由 最小的基本内核镜像 + 可选的设备驱动/其他功能通过模块插入按需提供
例如一个热拔插的USB设备，它的驱动程序（Linux内核模块），当其插入后会动态加载到内核中
LKM类型
- Static Linux Kernel Module
- Dynamic Linux Kernel Module
Static Linux Kernel Module
当构建Linux内核时，将模块静态的链接到内核镜像。模块成为最终内核镜像的一部分，内核镜像size变大。
不能卸载，运行中模块永久的占据内存。
Dynamic Linux Kernel Module
不会在编译期间嵌入内核镜像，单独编译和链接生成.ko文件
可以使用用户空间程序insmod, modprobe, rmmod从内核中加载/卸载，从而允许更加灵活的管理内核模块。
LKM编写语法 @syntax@
- Header section
- Code
- Registration
- Module description
#include <linux/module.h>
/* This is module initialization entry point */
static int __init my_kernel_module_init(void)
{
pr_info("hello kernel~\n");
return 0;
}
/* This is module clean-up entry point */
static void __exit my_kernel_module_exit(void)
{
pr_info("my hello module exit\n");
}
/* registration */
module_init(my_kernel_module_init);
module_exit(my_kernel_module_exit);
/* This is description information about the module */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("NAME");
MODULE_DESCRIPTION("A kernel module to print hello");
详细描述
运行在内核空间的。
内核头文件
内核源码树目录下 /include/linux 有所有的内核头文件，例如module.h
内核模块代码是运行在内核空间的，需要使用内核头文件，在内核构建过程中，没有用户空间库链接到
内核模块。不能将内核模块与C标准库链接。因此在写内核模块的时候不能使用任何用户空间的头文件。
用户空间头文件
例如C标准库里的stdio.h
Module Initialization Function
like main，做与初始化相关的事情
初始化模块，在模块插入 / 静态链接模块的系统引导期间调用。
返回 0 表示成功；返回 非0 表示失败从而阻止模块加载。
内容：设备的一些初始化，初始化设备私有数据结构，动态地为各种内核数据结构和服务请求一些内存，请求分配 major number, minor number, 创建设备文件， 在函数中执行各种操作。 （后面的字符设备驱动里）
Module Cleanup Function
复杂清理模块任务，在模块被移除时候调用。
Keyword & Tag
static就是常用的意思，修饰的函数只在这个文件中有效__init标记表示此代码是模块初始化特有的，模块初始化完成后可以从内存中丢弃，以节省内核内存。对于减少动态加载模块中的内核内存很有用。
宏 __init __exit
__init和__exit是Linux kernel中使用的C语言宏。
定义在LINUX_SRC/include/linux/init.h
是编译器指令或属性
#define __init __section(.init.text)
#define __initdata __section(.init.data)
#define __initconst __section(.init.rodata)
#define __exit __section(.exit.text)
编译器指令，指示编译器将数据或代码保存在称为"init."的输出段中（在最终的内核印象中）。
只对静态模块有意义！
__init目的：释放内核运行时内存。初始化函数执行后，在引导期间，内核将从内存中释放.init部分，只对静态模块有用，函数只会在boot引导的时候调用一次，无法卸载的内置驱动程序不需要再内存中保存其对init函数的引用。
因为有10万个内置模块~
通过使用__init技术，将函数推入init段，这是一个特殊的段，内核后面可以释放它
__exit目的：内建模块，不需要清理函数，当其与清理函数一起使用时，内核构建系统将在构建过程中排除这些函数，作为构建系统的标记，将清理函数从最终内核印象中排除。不编译了呗~，
LKM入口注册
module_init module_exir Macros，定义在linux/module.h中
在内核编程中，需要向内核注册初始化和清理函数。
使用内核提供的宏 module_init 和 module_exit来完成
分别将参数添加到内核init入口点数据库(the init entry point database of the kernel)和内核出口点数据库(the exit entry point database of the hernel)
Module Metadate（Module Description）
MODULE_LICENSE 该内核模块的开源许可类型
MODULE_AUTHOR
MODULE_DESCRIPTION
可以使用objdump modinfo 提取内核模块的元数据，即模块信息
构建内核模块 Building
- 与内核镜像静态链接
- 作为可动态加载的模块
- In tree module ：在linux内核源码树内部
- out of tree module ：在内核源码树之外
In tree module
使用make modules 命令去构建Linux内核所有的动态可加载的内核模块，都是In tree module，他们在Linux kernel tree内部。意味着得到内核开发人员和维护者的认可。
Out of tree module
加载它会污染内核，加载该模块到内核中时内核会发出一个警告，内核中也会设置一个taint flag，可忽略。指在内核源码树之外的。
Out of tree module building
Kernel Build System
调用"kbuild"构建内核，不用关心使用哪种编译器开关或参数。
在编译外部模块前，需要有预构建的完整内核源码，因为它包含配置项和构建时需要的头文件。注：这个linux kernel源码的版本必须和目标板运行的版本一样哦~
- 下载完整的内核源码，并build它；
make -C <path to linux kernel tree> M=<path to your module> [target]
[Target] ：modules modules_install clean help
C是为了使用linux kernel源码的顶层Makefile，指定kbuild的编译开关，依赖列表，版本符号
本地Makefile需要指定kbuild的变量： obj-<X>:=<module_name>.o
X = n ,不编译模块； =y，编译模块连接到kernel image; =m，编译动态内核模块
在host系统上构建并安装内核模块
uname -r 查看机器上的linux版本 5.4.0-150-generic 这里是预编译的内核源码和内核头文件路径/lib/modules/5.4.0-150-generic/
make -C /lib/modules/5.4.0-150-generic/build/ M=$PWD modules
sudo insmod hello.ko
sudo rmmod hello.ko
dmesg
为Target系统构建并安装内核模块
注意已经在~/.bashrc中添加了目标板的编译工具链路径，目标板也预编译了。
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf- -C ../../Linux-4.9.88/ M=$PWD modules
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf- -C ../../Linux-4.9.88/ M=$PWD clean
file hello.ko 查看模块的体系结构
modinfo hello.k o 查看模块的信息
arm-buildroot-linux-gnueabihf-objdump -h hello.ko 分析内核对象文件的各个部分
在目标板上安装模块
这里使用最方便的方法，使用WindTerm工具SSH方式登陆目标板，把hello.ko文件拖到板子里 。
sudo insmod hello.ko
sudo rmmod hello.ko
dmesg
SSH连接的dmesg
串口的输出
在目标系统板上测试内核模块，成功～
Makefile完善
obj-m := hello.o
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
KERN_DIR = ../../Linux-4.9.88/
HOST_KERN_DIR = /lib/modules/$(shell uname -r)/build/
all:
make ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) modules
clean:
make ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) clean
help:
make ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) help
host:
make -C $(HOST_KERN_DIR) M=$(PWD) modules
make make clean make host
In tree module building
- 在内核树目录下创建自己的in tree module文件夹
drivers/char/my_dev - 在文件夹下添加模块源码c文件
- 创建本地
Kconfig文件，用于make menuconfig配置模块 - 把本地Kconfig入口添加到上层Kconfig中
- 创建本地
Makefile文件 - 添加
obj-$(config_item) += <module>.o到Makefile中 - 添加本地Makefile到上层Makefile中
make ARCH=arm menuconfig
保存退出，.config是自动生成的，可以在里面看到刚才配的
上面如果是 =y，编译到内核镜像里
上面如果是 =m，单独编译出.ko文件到模块文件夹下
