【Linux设备驱动程序】Chapter 2 - 构造和运行模块
Hello World 模块
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
static int hello_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "hello_world\n");
return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "goodbye\n");
}
module_init(hello_init);
module_init(hello_exit);
核心模块与应用程序的对比
用户空间和内核空间
- 不同的运行级别(超级用户态、用户态)
- 各自的内存映射,即不同的地址空间
内核并发
内核编程需要考虑并发问题,即 Linux 内核代码(包括驱动代码)必须是重入的,必须能够同时运行在多个上下文中。
当前进程
current 是一个指向 struct task_struct (位于 linux/sched.h
)的指针,通过访问该结构体获取当前进程信息。
早期 Linux 内核中 current 是全局变量,位于 asm.current.h
,kernel 2.6 后为了支持 SMP 系统,将指向 task_struct 的指针隐藏在内核栈中,只需包含 linux/sched.h
即可引用当前进程。
printk(KERN_INFO "The process is \"%s\" (pid %i)\n",
current->comm, current->pid);
其它细节
栈
应用程序在虚拟内存中布局,有很大的栈空间。而内核的栈非常小,可能只有一个 4096 bytes 的页那样小,而且是整个内核空间共用的栈空间。
所以应避免大的自动变量,如果需要大的结构,应该在调用时动态分配该结构。
下划线前缀
以 __ 开头的函数通常是接口的底层组件,应谨慎使用。
浮点数
内核代码不能实现浮点数运算。如果打开了浮点支持,在某些架构上,需要在进出内核空间时保存和恢复浮点处理器的状态,这种额外开销没有价值。
编译和装载
编译
详细了解内核的构造过程,可阅读内核源码中 Documentation/kbuild 下的文件。
Documentation/Changes 文件列出了需要的工具版本。
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := hello.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules clean
endif
make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
: 首先改变目录到 -C 指定目录,其中保存有内核顶层的 Makefile 文件。 M= 选项让makefile 在构造 modules 目标之前返回指定目录。然后 modules 目标指向 obj-m 变量中指定的模块。
装载和卸载
- insmod 用于装载,可以接受一些选项,并且可以在模块链接到内核前给模块的整型和字符串型变量赋值。
- modprobe 同 insmod ,不同之处在于,它会考虑要装载的模块是否引用了一些内核中不存在的符号,如果有, modprobe 会在当前模块搜索路径中查找定义了这些符号的其它模块,如果找到,它会同时装载这些模块。
- rmmod 用于卸载模块。但如果内核认为模块处于使用状态,或内核配置为禁止移除模块时,则无法移除该模块。可以但不建议将内核配置为模块忙时可“强制”移除模块。
- lsmod 列出当前装载到内核中的所有模块及一些相关信息。
版本依赖
linux/module.h
中关于版本号的宏:
- UTS_RELEASE: 内核版本字符串,如 "2.6.10"
- LINUX_VERSION_CODE: 版本号的二进制表示,版本号的一部分对应一个字节,如 0x02060a
- KERNEL_VERSION(major, minor, release): 转换版本号为二进制格式,如 KERNEL_VERSION(2, 6, 10) -> 0x02060a
内核符号表
内核符号表中包含了所有的全局内核项(函数和变量)的地址。有利于实现模块层叠。
导出符号:
EXPORT_SYMBOL(name);
EXPORT_SYMBOL_GPL(name);
- GPL 版本导出的模块只能被 GPL 许可证下的模块使用
- 必须在全局部分导出,导出的符号必须是全局的
- 该变量将在可执行文件的特殊部分(即一个“ELF段”)中保存,装载时,根据这个段寻找导出的变量
预备知识
所有模块都包含的头文件
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
指定许可证
MODULE_LICENSE("GPL");
内核识别的许可证有:"GPL", "GPL v2", "GPL and additional rights", "Dual BSD/GPL", "Dual MPL/GPL", "Proprietary" ,如果未指定,则默认专有的,而内核装载这种模块就会被“污染”。
其它描述性定义
- MODULE_AUTHOR
- MODULE_DESCRIPTION
- MODULE_VERSION
- MODULE_ALIAS
- MODULE_DEVICES_TABLE
可放在函数外的任意位置,一种习惯是放在文件末尾。
初始化和关闭
初始化
static int __init init_func()
{
// ...
}
module_init(init_func);
__init
表明该函数仅在初始化期间使用。
__init
和 __initdata
是可选的。 __devinit
和 __devinitdata
,在内核配置为不支持热插拔的情况下才被翻译为 __init
和 __initdata
。
模块可以注册不同类型的设施(设备、文件系统、密码交换等),每种设施对应有具体的内核函数完成注册。传递到注册函数的参数通常是指向描述新设施的数据结构(包含名称、模块函数指针等)的指针。
注册设施类型:串口、杂项设备、 sysfs 入口、 /proc 文件、可执行域、线路规程( line discipline )等。
清除
static void __exit cleanup_func(void)
{
// ...
}
module_exit(cleanup_func);
__exit
标记的函数仅用于模块卸载,被放在特殊 ELF 段中。如果模块被内嵌到内核中,或内核配置为不允许卸载模块,则被标记函数被简单地丢弃。该函数仅在卸载模块或在系统关闭时被调用。
如果一个模块未定义清除函数,则内核不允许卸载该模块。
初始化过程的错误处理
模块代码必须始终检查初始化。
如果发生某个错误后无法继续装载模块,则要将出错之前的任何注册工作撤销(因为 Linux 中没有记录每个模块都注册了那些设施)。否则内核会处于不稳定状态。
内核经常使用 goto 处理错误,一个例程:
int __init init_func(void)
{
int err;
err = register_this(ptr1, "shull");
if (err) goto fail_this;
err = register_that(ptr2, "shull");
if (err) goto fail_that;
err = register_those(ptr3, "shull");
if (err) goto fail_those;
return 0;
fail_those:
unregister_that(ptr2, "shull");
fail_that:
unregister_this(ptr1, "shull");
fail_this:
return err;
}
err 错误编码定义在 linux/errno.h 中。
习惯上清除函数以相反于注册的顺序撤销设施。
为减少 init 和 cleanup 函数的重复代码,可以用全局变量记录注册设施的注册结果,init 中在注册出错时 goto 至末尾调用 cleanup 函数, cleanup 通过记录变量进行撤销动作。因为要在 init 函数中调用 cleanup 函数,所以 cleanup 函数不能标记为 __exit
。
模块装载竞争
- 情况一:
在注册完成后,内核的某些部分就可能立即使用注册的设施。
所以,在首次注册完成后,代码就应该准备好被调用;注册某个设施前,必须保证相关的内部初始化已完成。
- 情况二:
初始化失败,但可能此时内核其它部分已经使用了注册的某些设施。
如果初始化失败,则必须仔细处理内核其它部分正在进行的操作,并且要等待这些操作完成。
模块参数
insmod hellop howmany=10 whom="Somebody"
为使参数对 insmod 可见,参数必须用 module_param 宏来声明。该宏在 moduleparam.h 中定义。
static char *whom = "world";
static int howmany = 1;
module_param(howmany, int, S_IRUGO);
module_param(whom, charp, S_IRUGO);
module_param 三个参数:变量名称、类型、用于 sysfs 入口项的访问许可掩码。这个宏必须在函数外,通常在文件头部。
module_param 支持的类型:
bool invbool
布尔值( true 或 false ),关联的变量应该是 int 型。invbool 类型反转其值。
charp
字符指针值,内核会为用户提供的字符串分配内存,并相应设置指针。
int long short uint ulong ushort
不同类型的整数值
(模块代码中的钩子可让我们自定义一些类型,参阅 moduleparam.h 文件)
数组参数: module_param_array(name, type, num, perm) ,num 被设置为用户提供的元素个数(不能超过数组长度)。
所有模块参数都应该给定一个默认值。模块可以根据默认值来判断是否是一个显式指定的参数。
访问许可值 perm ,应使用 linux/stat.h 中存在的定义。如果 perm 为 0 ,则不会有对应的 sysfs 入口项;否则模块参数会在 /sys/module 中出现。 S_IRUGO
任何人只读, S_IRUGO | S_IWUSR
允许 root 修改该参数(可通过 sysfs 修改)。
用户空间驱动程序
优点:
- 可以与整个 C 库链接
- 可以使用通常的调试器调试代码
- 如果被挂起,简单杀掉进程即可,且不会导致整个系统挂起
- 用户内存可以换出
- 容易避免因修改内核接口导致的不明确许可问题
缺点:
- 中断在用户空间不可用
- 只有通过 mmap 映射 /dev/mem 才能访问内存,且只有特权用户可以执行这个操作
- 只有调用 ioperm 或 iopl 后才可以访问 I/O 端口,但并不是所有平台都支持这两个系统调用,并且访问 /dev/port 可能非常慢,同样只有特权用户可以执行
- 相应时间很慢(客户端与硬盘之间传递数据和动作需要上下文切换)
- 驱动程序可能被换出到磁盘,使用 mlock 系统调用可以缓解,但由于可能链接多个库,通常需要占用多个内存页,mlock 只有特权用户可用
- 用户空间不能处理一些重要设备,如网络接口、块设备等
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