LDD学习笔记 -- Linux内核模块

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
  • out of tree module

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。

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～