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一、Linux內核簡介

1.宏內核與微內核

內核分為四大類：單內核（宏內核）；微內核；混合內核；外內核。

宏內核(Monolithickernel)是將內核從整體上作為一個大過程來實現(xiàn)，所有的內核服務都在一個地址空間運行，相互之間直接調用函數(shù)，簡單高效。
- Linux雖是宏內核，但已吸收了微內核的部分精華。Linux是模塊化的、多線程的、內核本身可調度的系統(tǒng)，既吸收了微內核的精華，又保留了宏內核的優(yōu)點，無需消息傳遞，避免性能損失。
微內核(Microkernel)功能被劃分成獨立的過程，過程間通過IPC進行通信，模塊化程度高，一個服務失效不會影響另外一個服務。

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2.Linux體系架構

從兩個層次上來考慮操作系統(tǒng)

用戶空間：包含了用戶的應用程序和C庫
- GNU C Library （glibc）提供了連接內核的系統(tǒng)調用接口，還提供了在用戶空間應用程序和內核之間進行轉換的機制。
內核空間：包含了系統(tǒng)調用，內核，以及與平臺架構相關的代碼

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劃分原因

現(xiàn)代CPU通常都實現(xiàn)了不同的工作模式
- 以ARM為例：ARM實現(xiàn)了7種工作模式，不同模式下CPU可以執(zhí)行的指令或者訪問的寄存器不同：
  - （1）用戶模式 usr
  - （2）系統(tǒng)模式 sys
  - （3）管理模式 svc
  - （4）快速中斷 fiq
  - （5）外部中斷 irq
  - （6）數(shù)據(jù)訪問終止 abt
  - （7）未定義指令異常；
- 以X86為例：X86實現(xiàn)了4個不同級別的權限，Ring0—Ring3 ;Ring0下可以執(zhí)行特權指令，可以訪問IO設備；Ring3則有很多的限制。
為了保護內核的安全，把系統(tǒng)分成了2部分：用戶空間和內核空間是程序執(zhí)行的兩種不同狀態(tài)，我們可以通過“系統(tǒng)調用”和“硬件中斷“來完成用戶空間到內核空間的轉移；

3.Linux的內核結構

Linux內核是整體式結構（宏內核），各個子系統(tǒng)聯(lián)系緊密，作為一個大程序在內核空間運行。

系統(tǒng)調用接口（system call interface，SCI）提供了某些機制執(zhí)行從用戶空間到內核的函數(shù)調用。

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1）Linux內核組成（子系統(tǒng)）

進程調度（SCHED）：控制多個進程對CPU的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調度程序選擇最值得運行的進程。可運行進程實際上是僅等待CPU資源的進程，如果某個進程在等待其它資源，則該進程是不可運行進程。Linux使用了比較簡單的基于優(yōu)先級的進程調度算法選擇新的進程。
內存管理（memory management，MM）：允許多個進程安全的共享主內存區(qū)域。Linux 的內存管理支持虛擬內存，即在計算機中運行的程序，其代碼，數(shù)據(jù)，堆棧的總量可以超過實際內存的大小，操作系統(tǒng)只是把當前使用的程序塊保留在內存中，其余的程序塊則保留在磁盤中。必要時，操作系統(tǒng)負責在磁盤和內存間交換程序塊。內存管理從邏輯上分為硬件無關部分和硬件有關部分。硬件無關部分提供了進程的映射和邏輯內存的對換；硬件相關的部分為內存管理硬件提供了虛擬接口。
- 一般而言，Linux的每個進程享有4GB的內存空間，0_{3GB屬于用戶空間，3}4GB屬于內核空間。
虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System,VFS）：隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，為所有的設備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(tǒng)和設備驅動程序。邏輯文件系統(tǒng)指Linux所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,fat等，設備驅動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

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網(wǎng)絡接口（NET）：提供了對各種網(wǎng)絡標準的存取和各種網(wǎng)絡硬件的支持。網(wǎng)絡接口可分為網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡驅動程序。網(wǎng)絡協(xié)議部分負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。網(wǎng)絡設備驅動程序負責與硬件設備通訊，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

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進程間通訊(inter-process communication，IPC)：支持進程間各種通信機制。
- 共享內存
- 管道
- 信號量
- 消息隊列
- 套接字

4.內核模塊

Linux內核是模塊化組成的，它允許內核在運行時動態(tài)地向其中插入或刪除代碼。

二、內核模塊結構

1.頭文件

內核模塊頭文件<linux/module.h>和<linux/init.h>是必不可少的，不同模塊根據(jù)功能的差異，所需要的頭文件也不相同。

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

2.模塊初始化

模塊的初始化負責注冊模塊本身，只有已注冊模塊的各種方法才能夠被應用程序使用并發(fā)揮各方法的實際功能。

模塊并不是內核內部的代碼，而是獨立于內核之外，通過初始化，能夠讓內核之外的代碼來替內核完成本應該由內核完成的功能，模塊初始化的功能相當于模塊與內核之間銜接的橋梁，告知內核已經(jīng)準備好模塊了。

內核模塊初始化函數(shù)

//模塊初始化函數(shù)一般都需聲明為 static
//__init 表示初始化函數(shù)僅僅在初始化期間使用，一旦初始化完畢，將釋放初始化函數(shù)所占用的內存
static int __init module_init_func(void)
{
    初始化代碼
}
module_init(module_init_func);
//module_init宏定義會在模塊的目標代碼中增加一個特殊的代碼段，用于說明該初始化函數(shù)所在的位置。

當使用 insmod 將模塊加載進內核的時候，初始化函數(shù)的代碼將會被執(zhí)行。

3.模塊退出

模塊的退出相當于告知內核“我要離開了，將不再為您服務了”。

內核模塊退出函數(shù)

//模塊退出函數(shù)沒有返回值；
//__exit 標記這段代碼僅用于模塊卸載；
static void __exit module_exit_func(void)
{
    //模塊退出代碼
}
module_exit(module_exit_func);
//沒有 module_exit 定義的模塊無法被卸載

當使用 rmmod 卸載模塊時，退出函數(shù)的代碼將被執(zhí)行。

注意：如果模塊被編譯進內核，而不是動態(tài)加載，則__init的使用會在模塊初始化完成后丟棄該函數(shù)并回收所占內存, _exit宏將忽略“清理收尾”的函數(shù)。

4.模塊許可證聲明

Linux 內核是開源的，遵守 GPL 協(xié)議，所以要求加載進內核的模塊也最好遵循相關協(xié)議。

為模塊指定遵守的協(xié)議用 MODULE_LINCENSE 來聲明 :

MODULE_LICENSE("GPL");

內核能夠識別的協(xié)議有
- “GPL”
- “GPL v2”
- “GPL and additional rights（GPL 及附加權利）”
- “Dual BSD/GPL（BSD/GPL 雙重許可）”
- “Dual MPL/GPL（MPL/GPL 雙重許可）”
- “Proprietary（私有）”

5.模塊導出符號【可選】

使用模塊導出符號，方便其它模塊依賴于該模塊，并使用模塊中的變量和函數(shù)等。

在Linux2.6的內核中，/proc/kallsyms文件對應著符號表，它記錄了符號和符號對應的內存地址。

$ cat /proc/kallsyms 
...
ffffff80084039b8 t shash_digest_unaligned
ffffff8008403a30 T crypto_shash_digest
ffffff8008403ac0 t shash_async_final
ffffff8008403af0 T shash_ahash_update
ffffff8008403b50 t shash_async_update
ffffff8008403b80 t crypto_exit_shash_ops_async
ffffff8008403bb0 t crypto_shash_report
ffffff8008403c18 t crypto_shash_show
ffffff8008403c78 T crypto_alloc_shash
ffffff8008403cc8 T crypto_register_shash
ffffff8008403d00 T crypto_unregister_shash
ffffff8008403d30 T crypto_register_shashes
ffffff8008403df8 T crypto_unregister_shashes
ffffff8008403e90 T shash_register_instance
ffffff8008403ed0 T shash_free_instance
ffffff8008403f08 T crypto_init_shash_spawn
ffffff8008403f58 T shash_attr_alg
ffffff8008403fb0 T shash_ahash_finup
ffffff8008404068 t shash_async_finup
ffffff80084040b0 T shash_ahash_digest
ffffff80084041e0 t shash_async_digest
...

使用一下宏定義導出符號

EXPORT_SYMBOL(module_symbol);
//或
EXPORT_GPL_SYMBOL(module_symbol);

6.模塊描述 [可選]

模塊編寫者還可以為所編寫的模塊增加一些其它描述信息，如模塊作者、模塊本身的描述或者模塊版本等

MODULE_AUTHOR("Abing <Linux@zlgmcu.com>");
MODULE_DESCRIPTION("ZHIYUAN ecm1352 beep Driver");
MODULE_VERSION("V1.00");

模塊描述以及許可證聲明一般放在文件末尾。

三、向Linux內核添加新內核模塊

1.添加模塊驅動文件

在linux/drivers/下新建目錄hello，并且在hello/目錄下新建hello.c、Makefile、Kconfig三個文件。

1）內核模塊程序hello.c

/* hello world module */

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

static int __init hello_init(void)
{
  printk(KERN_INFO "Hello, I'm ready!\n");
  return 0;
}
static void __exit hello_exit(void)
{
  printk(KERN_INFO "I'll be leaving, bye!\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("michael");
MODULE_DESCRIPTION("hello world module");

內核通過 printk() 輸出的信息具有日志級別，日志級別是通過在 printk() 輸出的字符串前加一個帶尖括號的整數(shù)來控制的，如 printk(“<6>Hello, world!/n”);。內核中共提供了八種不同的日志級別

// 在 linux/kernel.h 中有相應的宏對應
#define KERN_EMERG    "<0>"    /* system is unusable */
#define KERN_ALERT    "<1>"    /* action must be taken immediately */
#define KERN_CRIT     "<2>"    /* critical conditions */
#define KERN_ERR      "<3>"    /* error conditions */
#define KERN_WARNING  "<4>"    /* warning conditions */
#define KERN_NOTICE   "<5>"    /* normal but significant */
#define KERN_INFO     "<6>"    /* informational */
#define KERN_DEBUG    "<7>"    /* debug-level messages */

2）Kconfig

menu "HELLO TEST Driver "
comment "HELLO TEST Driver Config"
 
config HELLO
    tristate "hello module test"
    default m
    help
    This is the hello test driver.
 
endmenu

在menuconfig的“driver”菜單下添加“HELLO TEST Driver”子菜單，并加入“HELLO”配置選項，選項默認為m。
保存menuconfig后，會在kernel根目錄下的.config文件中生成“CONFIG_HELLO=m”，在編譯的時候會添加到臨時環(huán)境變量中。

3）Makefile

obj-$(CONFIG_HELLO) += hello.o

可用于動態(tài)模塊外部編譯的寫法

編譯模塊的內核配置必須與所運行內核的編譯配置一樣。
```
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
         obj-m += hello.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build  # 定義內核路徑
PWD := $(shell pwd)
default:
        $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules   # 表示在當前目錄下編譯
clean:
        rm -rf .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions
endif
```
- KERNELRELEASE是在內核源碼的頂層Makefile中定義的一個變量，在第一次讀取執(zhí)行此Makefile時，KERNELRELEASE沒有被定義，所以make將讀取執(zhí)行else之后的內容。
- 當從內核源碼目錄返回時，KERNELRELEASE已被定義，kbuild也被啟動去解析kbuild語法的語句，make將繼續(xù)讀取else之前的內容，生成的目標模塊名。

2.修改上一級目錄的Kconfig和Makefile

進入linux/drivers/

編輯Makefile，在后面添加一行：
```
obj-$(CONFIG_HELLO) += hello/
```
編輯Kconfig，在后面添加一行：
```
source "drivers/hello/Kconfig"
```
- 注：某些內核版本需要同時在arch/arm/Kconfig中添加：source "drivers/hello/Kconfig"

3.make menuconfig配置和編譯

執(zhí)行：make menuconfig ARCH=arm進入配置菜單
選擇并進入：Device Drivers選項

image

進入 HELLO TEST Driver選項

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- 可以選擇<m> <y> <n>，分別為編譯成內核模塊、編譯進內核、不編譯。

如果選擇編譯成動態(tài)模塊<m>

編譯內核過程中，會有如下輸出：

LD drivers/hello/built-in.o
CC [M] drivers/hello/hello.o
CC drivers/hello/hello.mod.o
LD [M] drivers/hello/hello.ko

如果選擇編譯進內核<y>

編譯內核過程中，會有如下輸出：

CC drivers/hello/hello.o
LD drivers/hello/built-in.o

4.動態(tài)模塊加載和卸載

加載模塊使用 insmod 命令，卸載模塊使用 rmmod 命令。

$ insmod hello.ko
$ rmmod hello.ko
#加載和卸載模塊必須具有 root 權限 。

對于可接受參數(shù)的模塊，在加載模塊的時候為變量賦值即可，卸載模塊無需參數(shù)。

$ insmod hello.ko num=8
$ rmmod hello.ko

四、帶參數(shù)的內核模塊

模塊參數(shù)必須使用 module_param 宏來聲明，通常放在文件頭部。

module_param 需要 3個參數(shù)：變量名稱、類型以及用于 sysfs 入口的訪問掩碼。

static int num = 5;
module_param(num, int, S_IRUGO);

內核模塊支持的參數(shù)類型有： bool、 invbool、 charp、 int、 short、 long、 uint、 ushort和 ulong。
訪問掩碼的值在<linux/stat.h>定義， S_IRUGO 表示任何人都可以讀取該參數(shù)，但不能修改。
支持傳參的模塊需包含 moduleparam.h 頭文件。

能夠接收參數(shù)的模塊范例

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
// moduleparam.h 文件已經(jīng)包含在 module.h 文件中

static int num = 3;
static char *whom = "master";

module_param(num, int, S_IRUGO);
module_param(whom, charp, S_IRUGO);

static int __init hello_init(void)
{
  printk(KERN_INFO "%s, I get %d\n", whom, num); //KERN_INFO 表示這條打印信息的級別
  return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
  printk("I'll be leaving, bye!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("luxiaodai");
MODULE_DESCRIPTION("this is my first module");

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linux 驅動開發(fā) - 內核模塊

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一、Linux內核簡介

1.宏內核與微內核

2.Linux體系架構

3.Linux的內核結構

1）Linux內核組成（子系統(tǒng)）

4.內核模塊

二、內核模塊結構

1.頭文件

2.模塊初始化

3.模塊退出

4.模塊許可證聲明

5.模塊導出符號【可選】

6.模塊描述 [可選]

三、向Linux內核添加新內核模塊

1.添加模塊驅動文件

1）內核模塊程序hello.c

2）Kconfig

3）Makefile

2.修改上一級目錄的Kconfig和Makefile

3.make menuconfig配置和編譯

4.動態(tài)模塊加載和卸載

四、帶參數(shù)的內核模塊

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linux 驅動開發(fā) - 內核模塊

一、Linux內核簡介

1.宏內核與微內核

2.Linux體系架構

3.Linux的內核結構

1）Linux內核組成（子系統(tǒng)）

4.內核模塊

二、內核模塊結構

1.頭文件

2.模塊初始化

3.模塊退出

4.模塊許可證聲明

5.模塊導出符號 【可選】

6.模塊描述 [可選]

三、向Linux內核添加新內核模塊

1.添加模塊驅動文件

1）內核模塊程序hello.c

2）Kconfig

3）Makefile

2.修改上一級目錄的Kconfig和Makefile

3.make menuconfig配置和編譯

4.動態(tài)模塊加載和卸載

四、帶參數(shù)的內核模塊

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一、Linux內核簡介

5.模塊導出符號【可選】

三、向Linux內核添加新內核模塊