[系统运维]【Linux】内核驱动篇一--编译方法

注：关于驱动的编译环境，在系统移植篇已详细讲解与安装

一、向内核添加新功能

1.1 静态加载法

即新功能源码与内核其它代码一起编译进uImage文件内,下面举例说明。

1. 新功能源码与Linux内核源码在同一目录结构下,在
   linux-3.14/drivers/char/目录下编写myhello.c，文件内容如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
   
int __init myhello_init(void)
{
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
    printk("myhello is running\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	return 0;
}

void __exit myhello_exit(void)
{
	printk("myhello will exit\n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(myhello_init);
module_exit(myhello_exit);

2. 给新功能代码配置Kconfig

#进入myhello.c的同级目录
cd  ~/linux-3.14/drivers/char

#打开Kconfig文件
vim Kconfig

#39行处添加如下内容：
config MY_HELLO
	tristate "This is a hello test"
	help
		This is a test for kernel new function

4. 改写myhello.c同级目录下的Makefile

#进入myhello.c的同级目录
cd  ~/linux-3.14/drivers/char

#改写Makefile
vim Makefile

#拷贝18行，粘贴在下一行，修改成：
obj-$(CONFIG_MY_HELLO)     += myhello.o

5. make menuconfig 界面里将新功能对应的那项选择成<*>

cd  ~/linux-3.14
make menuconfig

#make menuconfig如果出错，一般是两个原因：
#1. libncurses5-dev没安装
#2. 命令行界面太小（太矮或太窄或字体太大了）   

6. make uImage
7. cp arch/arm/boot/uImage /tftpboot
8. 启动开发板观察串口终端中的打印信息

1.2 动态加载法

即新功能源码与内核其它源码不一起编译，而是独立编译成内核的插件(被称为内核模块）文件.ko

1.2.1 文件制作方法

方法1：新功能源码与Linux内核源码在同一目录结构下时

1. 给新功能代码配置Kconfig（同静态配置）
2. 给新功能代码改写Makefile（同静态配置）
3. make menuconfig 界面里将新功能对应的那项选择成<M>
4. make uImage
5. cp arch/arm/boot/uImage /tftpboot
6. make modules
   make modules会在新功能源码的同级目录下生成相应的同名.ko文件（生成的ko文件只适用于开发板linux）
   注意：此命令执行前，开发板的内核源码已被编译

方法2：新功能源码与Linux内核源码不在同一目录结构下时

1. cd ~/linux-3.14
2. mkdir mydrivercode
3. cd mydrivercode
4. cp …/linux-3.14/drivers/char/myhello.c .
5. 添加Makefile文件，内容放在步骤末尾
6. vim Makefile
7. make （生成的ko文件适用于主机ubuntu linux）
8. make ARCH=arm （生成的ko文件适用于开发板linux，注意此命令执行前，开发板的内核源码已被编译）

ifeq ($(KERNELRELEASE),)

ifeq ($(ARCH),arm)
# 自己的linux内核源码目录
KERNELDIR ?= /home/linux/linux-3.14
ROOTFS ?= /opt/4412/rootfs
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
endif
PWD := $(shell pwd)

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

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

clean:
	rm -rf  *.o  *.ko  .*.cmd  *.mod.*  modules.order  Module.symvers   .tmp_versions

else
obj-m += myhello.o


endif

#file命令可以查看指定ko文件适用于哪种平台，用法：
file  ko文件
#结果带x86字样的适用于主机ubuntu linux，带arm字样的适用于开发板linux

1.2.2 文件使用

使用1：主机ubuntu下使用ko文件

sudo insmod ./文件名.ko  #将内核模块插入正在执行的内核中运行 ----- 相当于安装插件

lsmod #查看已被插入的内核模块有哪些，显示的是插入内核后的模块名

sudo rmmod 文件名 #，将已被插入的内核模块从内核中移除 ----- 相当于卸载插件

sudo dmesg -C  #清除内核已打印的信息

dmesg #查看内核的打印信息

使用2：开发板Linux下使用ko文件

#1.先将生成的ko文件拷贝到/opt/4412/rootfs目录下：
#2.在串口终端界面开发板Linux命令行下执行

insmod ./文件名.ko  #将内核模块插入正在执行的内核中运行 ----- 相当于安装插件

lsmod #查看已被插入的内核模块有哪些

rmmod 文件名 #将已被插入的内核模块从内核中移除 ----- 相当于卸载插件

内核随时打印信息，我们可以在串口终端界面随时看到打印信息，不需要dmesg命令查看打印信息

二、内核模块基础代码解析

Linux内核的插件机制——内核模块

类似于浏览器、eclipse这些软件的插件开发，Linux提供了一种可以向正在运行的内核中插入新的代码段、在代码段不需要继续运行时也可以从内核中移除的机制，这个可以被插入、移除的代码段被称为内核模块。

主要解决：

1. 单内核扩展性差的缺点
2. 减小内核镜像文件体积，一定程度上节省内存资源
3. 提高开发效率
4. 不能彻底解决稳定性低的缺点：内核模块代码出错可能会导致整个系统崩溃

内核模块的本质：一段隶属于内核的“动态”代码，与其它内核代码是同一个运行实体，共用同一套运行资源，只是存在形式上是独立的。

#include <linux/module.h> //包含内核编程最常用的函数声明，如printk
#include <linux/kernel.h> //包含模块编程相关的宏定义，如：MODULE_LICENSE

/*该函数在模块被插入进内核时调用，主要作用为新功能做好预备工作
  被称为模块的入口函数
  
  __init的作用 : 
1. 一个宏，展开后为：__attribute__ ((__section__ (".init.text")))   实际是gcc的一个特殊链接标记
2. 指示链接器将该函数放置在 .init.text区段
3. 在模块插入时方便内核从ko文件指定位置读取入口函数的指令到特定内存位置
*/
int __init myhello_init(void)
{
    /*内核是裸机程序，不可以调用C库中printf函数来打印程序信息，
    Linux内核源码自身实现了一个用法与printf差不多的函数，命名为printk （k-kernel）
    printk不支持浮点数打印*/
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("myhello is running\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	printk("#####################################################\n");
	return 0;
}

/*该函数在模块从内核中被移除时调用，主要作用做些init函数的反操作
  被称为模块的出口函数
  
  __exit的作用：
1.一个宏，展开后为：__attribute__ ((__section__ (".exit.text")))   实际也是gcc的一个特殊链接标记
2.指示链接器将该函数放置在 .exit.text区段
3.在模块插入时方便内核从ko文件指定位置读取出口函数的指令到另一个特定内存位置
*/
void __exit myhello_exit(void)
{
	printk("myhello will exit\n");
}

/*
MODULE_LICENSE(字符串常量);
字符串常量内容为源码的许可证协议 可以是"GPL" "GPL v2"  "GPL and additional rights"  "Dual BSD/GPL"  "Dual MIT/GPL" "Dual MPL/GPL"等, "GPL"最常用

其本质也是一个宏，宏体也是一个特殊链接标记，指示链接器在ko文件指定位置说明本模块源码遵循的许可证
在模块插入到内核时，内核会检查新模块的许可证是不是也遵循GPL协议，
如果发现不遵循GPL，则在插入模块时打印信息：
	myhello：module license 'unspecified' taints kernel
	Disabling lock debugging due to kernel taint
也会导致新模块没法使用一些内核其它模块提供的高级功能
*/
MODULE_LICENSE("GPL");

/*
module_init 宏
1. 用法：module_init(模块入口函数名) 
2. 动态加载模块，对应函数被调用
3. 静态加载模块，内核启动过程中对应函数被调用
4. 对于静态加载的模块其本质是定义一个全局函数指针，并将其赋值为指定函数，链接时将地址放到特殊区段（.initcall段），方便系统初始化统一调用。
5. 对于动态加载的模块，由于内核模块的默认入口函数名是init_module,用该宏可以给对应模块入口函数起别名
*/
module_init(myhello_init);

/*
module_exit宏
1.用法：module_exit(模块出口函数名)
2.动态加载的模块在卸载时，对应函数被调用
3.静态加载的模块可以认为在系统退出时，对应函数被调用，实际上对应函数被忽略
4.对于静态加载的模块其本质是定义一个全局函数指针，并将其赋值为指定函数，链接时将地址放到特殊区段（.exitcall段），方便系统必要时统一调用，实际上该宏在静态加载时没有意义，因为静态编译的驱动无法卸载。
5.对于动态加载的模块，由于内核模块的默认出口函数名是cleanup_module,用该宏可以给对应模块出口函数起别名
*/
module_exit(myhello_exit);

模块三要素：入口函数、出口函数、MODULE__LICENSE

三、内核模块的多源文件编程

ifeq ($(KERNELRELEASE),)

ifeq ($(ARCH),arm)
KERNELDIR ?= 目标板linux内核源码顶层目录的绝对路径
ROOTFS ?= 目标板根文件系统顶层目录的绝对路径
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
endif
PWD := $(shell pwd)

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

modules_install:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) INSTALL_MOD_PATH=$(ROOTFS) modules_install

clean:
	rm -rf  *.o  *.ko  .*.cmd  *.mod.*  modules.order  Module.symvers   .tmp_versions

else
obj-m += hello.o

endif

Makefile中：

obj-m 用来指定模块名，注意模块名加.o而不是.ko

可以用 模块名-objs 变量来指定编译到ko中的所有.o文件名（每个同名的.c文件对应的.o目标文件）

一个目录下的Makefile可以编译多个模块：

添加：obj-m += 下一个模块名.o

四、 内核模块信息宏

MODULE_AUTHOR(字符串常量); //字符串常量内容为模块作者说明

MODULE_DESCRIPTION(字符串常量); //字符串常量内容为模块功能说明

MODULE_ALIAS(字符串常量); //字符串常量内容为模块别名

这些宏用来描述一些当前模块的信息，可选宏

这些宏的本质是定义static字符数组用于存放指定字符串内容，这些字符串内容链接时存放在.modinfo字段，可以用modinfo命令来查看这些模块信息，用法：

modinfo  模块文件名

到这里就结束啦！

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