一、Linux 内核模块

本篇文章是介绍Linux 驱动开发承上启下的一个知识点。在 Linux 系统中，设备驱动会以内核模块的形式出现，学习 Linux 内核模块编程是驱动开发的先决条件。

1、内核

内核按照体系结构分为两类：微内核（Micro Kernel）和宏内核（Monolithic Kernel）。在微内核架构中，内核只提供操作系统核心功能，如实现进程管理、存储器管理、进程间通信、 I/O 设备管理等，而其它的应用层 IPC、文件系统功能、设备驱动模块则不被包含到内核功能中，属于微内核之外的模块，所以针对这些模块的修改不会影响到微内核的核心功能。微内核具有动态扩展性强的优点。 Windows 操作系统、华为的鸿蒙操作系统就属于这类微内核架构。

而宏内核架构是将上述包括微内核以及微内核之外的应用层 IPC、文件系统功能、设备驱动模块都编译成一个整体。其优点是执行效率非常高，但缺点也是十分明显的，一旦我们想要修改、增加内核某个功能时（如增加设备驱动程序）都需要重新编译一遍内核。 Linux 操作系统正是采用了宏内核结构。为了解决这一缺点， linux 中引入了内核模块这一机制。

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2、内核模块引入原因

Linux 是一个跨平台的操作系统，支持众多的设备，在 Linux 内核源码中有超过 50% 的代码都与设备驱动相关。 Linux 为宏内核架构，如果开启所有的功能，内核就会变得十分臃肿。内核模块就是实现了某个功能的一段内核代码，在内核运行过程，可以加载这部分代码到内核中，从而动态地增加了内核的功能。基于这种特性，我们进行设备驱动开发时，以内核模块的形式编写设备驱动，只需要编译相关的驱动代码即可，无需对整个内核进行编译。

3、内核模块的定义和特点

核模块的具体的定义：内核模块全称 Loadable Kernel Module(LKM), 是一种在内核运行时加载一组目标代码来实现某个特定功能的机制。
模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行，在运行时它被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程是不一样的。模块由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序和其他内核上层功能。因此内核模块具备如下特点：

模块本身不被编译入内核映像，这控制了内核的大小。
模块一旦被加载，它就和内核中的其它部分完全一样。

二、Linux 内核模块的工作机制

我们编写的内核模块，经过编译，最终形成.ko 为后缀的 ELF 文件。ko 文件在数据组织形式上是 ELF(Excutable And Linking Format) 格式，是一种普通的可重定位目标文件。这类文件包含了代码和数据，可以被用来链接成可执行文件或共享目标文件，静态链接库也可以归为这一类。在学习linux基础篇（二）——静态和动态链接时，有讲解过ELF文件的详细信息。内核就是利用ELF文件留在内核模块里的信息，对内核模块进行利用的。

1、内核模块组成部分

Linux 内核模块的代码框架通常由下面几个部分组成：

模块加载函数 (必须)：当通过 insmod 或 modprobe 命令加载内核模块时，模块的加载函数就会自动被内核执行，完成本模块相关的初始化工作。
模块卸载函数 (必须)：当执行 rmmod 命令卸载模块时，模块卸载函数就会自动被内核自动执行，完成相关清理工作。
模块许可证声明 (必须)：许可证声明描述内核模块的许可权限，如果模块不声明，模块被加载时，将会有内核被污染的警告。
模块参数：模块参数是模块被加载时，可以传值给模块中的参数。
模块导出符号：模块可以导出准备好的变量或函数作为符号，以便其他内核模块调用。
模块的其他相关信息：可以声明模块作者等信息。

2、内核模块的加载过程

linux内核模块加载函数一般以__init标识声明，模块加载函数以module_init(函数名)的形式被指定。在编写时，若初始化成功应该返回0，若初始化失败应该返回错误编码，方便用户程序利用perror等方法将它们转换为有意义的错误信息字符串。

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello  Module Init\n");
    return 0;
}
module_init(hello_init);

__init 和module_init宏定义介绍：

#define __init __attribute__((__section__(".init.text")))

带有 __init 的修饰符，表示将该函数放到可执行文件的 __init 节区中，该节区的内容只能用于模块的初始化阶段，初始化阶段执行完毕之后，这部分的内容就会被释放掉。

#define module_init(x) __initcall(x);

宏定义 module_init 用于通知内核初始化模块的时候，要使用哪个函数进行初始化。它会将函数地址加入到相应的节区 section 中，这样的话，开机的时候就可以自动加载模块了。

3、内核模块的卸载过程

当模块从内核被卸载时，系统会调用模块的模块卸载函数，该函数使用__exit来标识。

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk("KERN_INFO  Hello  Module Exit\n");
}
module_exit(hello_exit);

4、模块声明与描述

MODULE_AUTHOR：模块作者
MODULE_DESCRIPTION：模块描述
MODULE_VERSION：模块版本
MODULE_DEVICE_TABLE：设备表
MODULE_ALIAS：别名

完整代码的例子：

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello  Module Init\n");
    return 0;
}
module_init(hello_init);
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk("KERN_INFO  Hello  Module Exit\n");
}
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("kk");
MODULE_DESCRIPTION("hello world module");
MODULE_ALIAS("test_module");

5、模块参数

Linux 内核提供一个宏来实现模块的参数传递

#define module_param(name, type, perm) \
 module_param_named(name, name, type, perm)

#define module_param_array(name, type, nump, perm) \
module_param_array_named(name, name, type, nump, perm)

name：我们定义的变量名；
type：参数的类型；
perm：表示的是该文件的权限，具体参数值见下表。

6、导出符号

模块可以使用如下宏导出符号到内核符号表中

#define EXPORT_SYMBOL(符号名) 
#define EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名)

导出符号可以被其他模块使用，只需要使用前声明一下即可。EXPORT_SYMBOL_GPL（）只适用于包含GPL许可权的模块，一般认为，保守做法是linux内核不能使用非GPL许可权。
完整例子：

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

static int itype=0;
module_param(itype,int,0);

static bool btype=0;
module_param(btype,bool,0700);

static char ctype=0;
module_param(ctype,byte,0);

static char  *stype=0;
module_param(stype,charp,0644);

static int __init param_init(void)
{
   printk(KERN_ALERT "param init!\n");
   printk(KERN_ALERT "itype=%d\n",itype);
   printk(KERN_ALERT "btype=%d\n",btype);
   printk(KERN_ALERT "ctype=%d\n",ctype);
   printk(KERN_ALERT "stype=%s\n",stype);
   return 0;
}

static void __exit param_exit(void)
{
   printk(KERN_ALERT "module exit!\n");
}

EXPORT_SYMBOL(itype);

int my_add(int a, int b)
{
   return a+b;
}

EXPORT_SYMBOL(my_add);

int my_sub(int a, int b)
{
   return a-b;
}

EXPORT_SYMBOL(my_sub);

module_init(param_init);
module_exit(param_exit);

MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("module_param");
MODULE_ALIAS("module_param");