Linux驅動開發學習-02.第一個模塊HelloWorld

02.第一個模塊HelloWorld

2.1 內核劃分

2.1.1 根據系統結構劃分（5）

• 進程管理：內核負責進程創建與銷燬，處理輸入輸出，進程間通信，共享CPU控制等
• 內存管理：內核爲每個進程建立虛擬地址空間，內核與內存管理系統交互
• 文件系統：內核在非結構化的硬件上建立了結構化文件系統
• 設備控制：除處理器、內存和少見的實體外，其他任何設備控制操作由設備驅動完成
• 網絡：報文是異步事件，在某一進程接手前必須被收集、識別和分發；系統負責在程序和網絡間遞送報文；所有路由和地址解析問題都在內核中實現
  

2.1.2 根據模塊劃分

Linux優良特性之一：在系統正在運行時，仍然可以增加或去除內核的部分功能；每塊可以在運行時添加到內核的代碼即爲一個模塊；模塊並不是一個完成的可執行文件，它需要通過insmod(rmmod)動態鏈接（移除）到內核中

2.1.3 設備分類（3）

• 字符設備：可當做字節流存取的設備（如同一個文件），驅動至少要實現open、close、read、write系統調用；文本控制檯/dev/console和串口/dev/ttyS*是典型實例；字符設備通過文件系統結點存取，如/dev/tty1；與普通文件區別在於，字符設備只能順序存取
• 塊設備：同字符設備，塊設備通過/dev/下的文件系統結點存取；塊設備駐有文件系統；大部分Unix系統塊設備僅能傳送2^n字節的整塊，而Linux可傳送任意字節；塊和字符設備的區別僅僅在於內核在內部管理數據的方式上，以及軟件接口上
• 網絡接口：網絡接口負責發送和接收報文；非面向流的設備；Unix提供的對接口的存取方式仍然是分配一個名字(如eth*)但這個名字在文件系統中並沒有對應入口

除設備驅動外，不論硬件和軟件，在內核中都是模塊化的（如文件系統）

2. HelloWorld模塊

2.2.1 源文件

• 創建hello.c

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

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");//告知內核自由許可證   

static int hello_init(void)   
{   
    printk(KERN_ALERT "Hello, world\n");//printk內核打印，KERN_ALERT消息優先級  
    return 0;   
}   
static void hello_exit(void)   
{   
    printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");   
}   

module_init(hello_init);//特別的內核宏   
module_exit(hello_exit);  

• 創建makefile

obj-m := hello.o   
KERNELDIR := /home/fa/linux-3.4.y  
PWD := $(shell pwd)   

modules:  
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules  
modules_install:  
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install  
clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

2.2.2 模塊安裝與卸載

• make編譯後，使用insmod、modprobe、rmmod加載或卸載模塊
• insmod加載模塊的代碼段和數據段到內核，加載中有類似ld的函數，它連接模塊中的符號到內核的符號表上，內核不修改模塊的磁盤文件，而是內存內的拷貝；insmod可接收許多命令行選項
• insmod依賴kernel/module.c中定義的系統調用，函數sys_init_module分配內核內存來存放模塊（vmalloc），它接着拷貝模塊的代碼段到這塊內存區，藉助內核符號表解決模塊中的內核引用，並且調用模塊的初始化函數來啓動所有東西
• sys_前綴的代碼對所有系統調用都是成立的
• 模塊加載時，會有vermagic檢查，vermagic.o目標文件中包含了目標內核版本、編譯器版本，以及許多重要配置變量的設置信息，這些信息會與運行內核進行匹配，若不匹配，模塊將不會加載，可通過/var/log/message查看加載日誌
• 模塊代碼必須要爲每個它要連接的內核版本重新編譯，模塊緊密結合到特殊內核版本的數據結構和函數原型之上

2.2.3 注意

• 模塊沒有外部庫，只能調用內核中函數，因此源文件中也不應包含通常的頭文件；大部分頭文件位於內核源碼include/linux以及include/asm目錄下，其餘部分已經關聯到特定內核子系統內
• printk不支持浮點
• 模塊加載到內核的過程
  

2.3 帶參HelloWorld模塊

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
 
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
static char *whom = "world";
static int howmany = 1;

//insmod hello.ko howmany=10 whom="hello"改變模塊參數
module_param(howmany, int, S_IRUGO);
module_param(whom, charp, S_IRUGO); 

static int hello_init(void)
{
	int i;
	for (i = 0; i < howmany; i++)
		printk(KERN_ALERT "(%d) Hello, %s\n", i, whom);
	return 0;
}
 
static void hello_exit(void)
{
	printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel world\n");
}
 
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

• 參數用moudle_param宏定義來聲明，它定義在moduleparam.h中，module_param使用了3個參數，變量名、類型，以及一個權限掩碼用來做一個輔助的sysfs入口
• 模塊參數支持類型：bool、invbool、charp、int、int、long、short、uint、ulong、ushort
• 數組參數使用module_param_array(name,type,num,perm);，perm是權限值，在<linux/stat.h>中定義，S_IRUGO、S_IWUSR

2.4 源碼說明

2.4.1 Document目錄

• 通過Document/kbuild目錄下文件查看模塊如何被建立，包括kbuild、kconfig、makefiles、modules文件
• 通過Document/Changes查看各種工具版本

2.4.2 與模塊相關的頭文件

• module.h中包含了大量加載模塊需要的函數和符號的定義，init.h指定初始化和清理函數，moduleparam.h在模塊加載時傳遞參數
• 可以在模塊中包含其他描述性定義，如MODULE_AUTHOR、MODULE_DESCRIPION、MODULE_VERSION、MODULE_ALIAS、MODULE_DEVICE_TABLE（告知用戶空間模塊支持那些設備），慣例這些聲明置於文件末尾
• struct task_struct *current;(#include <linux/sched.h>，包含很多驅動使用的內核API的定義)
• module_param(variable, type, perm);(#include <linux/moduleparam.h>)
• int printk(const char * fmt, ...);(#include <linux/kernel.h>)

2.4.3 初始化&退出

• 模塊初始化函數註冊模塊提供的任何功能
• 初始化函數應聲明爲static，因爲它們不會在特定文件之外可見
• __init標誌給內核暗示，給定的函數只是在初始化使用，__initdata給只在初始化時用的數據
• __exit、__exitdata
• 使用moudle_init是強制的，它表明增加了特別的段到模塊目標代碼中，表明在哪裏找到模塊的初始化函數
• 模塊可以註冊許多的不同設施，包括不同類型的設備、文件系統、加密轉換等；對每一個設施，有一個特定的內核函數來完成這個註冊，傳給內核註冊函數的參數常常是一些數據結構的指針，描述新設施以及要註冊的新設施的名字，數據結構常常包含模塊函數指針

static int __init initialization_function(void)
{
/* Initialization code here */
}
module_init(initialization_function);
static void __exit cleanup_function(void)
{
/* Cleanup code here */
}
module_exit(cleanup_function);

2.5 內核空間與用戶空間

• 模塊在內核空間運行，應用程序在用戶空間運行
• Unix下，內核在最高級操作形態運行，允許任何事情，而應用程序在最低級運行，這裏處理器控制了對硬件的直接存取以及對內存的非法存取；內核空間和用戶空間都有各自的內存映射（自己的地址空間）
• Unix 從用戶空間轉換執行到內核空間，無論何時一個應用程序發出一個系統調用或者被硬件中斷掛起時，執行系統調用的內核代碼在進程的上下文中工作（它代表調用進程並且可以存取該進程的地址空間），即處理中斷的代碼對進程來說是異步的，不和任何特別的進程有關
• 模塊通常的任務，一是作爲系統調用的一部分執行，二是負責中斷處理
• Linux內核代碼包括驅動代碼，必須是可重入的
  

2.6 在用戶空間編寫驅動

• 用戶空間設備驅動優點：可使用C庫，可運行常用調試器、可殺掉掛起的用戶空間驅動、用戶內存可交換、允許對設備並行存取
• 用戶空間設備驅動缺點：無法使用中斷、只能通過內存映射/dev/mem使用DMA、存取I/O端口只能在調用ioperm或iopl之後、響應時間慢、最重要的設備不能在用戶空間處理

2.7 實操

• 開發板：NanoPi-NEO-Air
• 內核源碼版本：4.14.52 (從源碼頂層Makefile的首部可以看到源碼的版本號，開發板中使用uname -r可以看到系統運行的版本號

VERSION = 4
PATCHLEVEL = 14
SUBLEVEL = 52

• 使用make編譯hello.c時，報錯

./arch/x86/include/asm/arch_hweight.h:55:42: error: expected ‘:’ or ‘)’ before ‘POPCNT64’
./arch/x86/include/asm/atomic64_64.h:22:22: error: request for member ‘counter$
./arch/x86/include/asm/atomic64_64.h:22:22: error: request for member ‘counter$
...

這是由於make是沒有指定編譯平臺和編譯工具鏈所致，使用make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-即可解決

• 使用sudo insmod hello.ko時報錯

insmod: ERROR: could not insert module hello.ko: Unknown symbol in module

通過dmesg|tail查看日誌

[  116.880560] hello: loading out-of-tree module taints kernel.
[  116.880736] hello: Unknown symbol __gnu_mcount_nc (err 0)

百度搜索其原因，Unknown symbol __gnu_mcount_nc (err 0) ，是頂層Makefile開啓了gprof(並不知道是什麼東西)，只需要把CFLAGS的-pg或-p參數去掉即可，即註釋掉第763

763 #CC_FLAGS_FTRACE := -pg 

再次編譯、insmod成功，通過dmesg|tail可以查看到

[  272.028920] hello: loading out-of-tree module taints kernel.
[  272.030778] Hello, world

• 使用sudo rmmod -f hello卸載模塊時報錯

rmmod: ERROR: ../libkmod/libkmod-module.c:793 kmod_module_remove_module() could not remove 'hello': Device or resource busy
rmmod: ERROR: could not remove module hello: Device or resource busy

百度後，這種無法卸載模塊的原因有：設備號衝突(hello模塊並無設備號)、別的進程正在使用等，Linux強制卸載內核模塊(由於驅動異常導致rmmod不能卸載，該文描述的很清楚，但這裏仍舊沒找到無法卸載的原因，日後再說！

• 調試工具

lsmod#查看已安裝的模塊
cat /proc/modules#查看設備詳細信息(模塊名字 內存大小 load次數 依賴 狀態 內存偏移位置)
dmesg#查看內核日誌(-T)
cat /proc/devices#查看設備以及設備號
modinfo hello.ko#查看模塊信息