一起学习Linux内核模块的知识，为编写复杂的设备驱动做好准备

一、Linux内核模块简介

Linux内核的整体架构非常庞大，包含的组件非常多，如果把所有的功能都编译到内核，有导致生成的内核映像越来越大，同时如果我们要修改现有内核的功能，需要重编内核，效率很低。

有没有另一种机制可使得内核本身不包含所有功能，而在这些功能需要被使用的时候，其对应的代码才被动态地加载的内核中呢？

Linux提供了这样的机制，就是模块（Module），模块具有这样的特点：

模块本身不被编译到内核映像，从而控制了内核的大小
模块一旦加载，和内核的其他部分完全一样。

二、Linux内核模块组成

一个linux内核模块主要包含以下几个部分。

模块加载函数
模块卸载函数
模块参数（可选）
模块导出符号（可选）
模块作者等信息声明（可选）

2.1 模块加载函数

当通过insmod 或modprobe命令加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核执行，完成本模块的初始化工作。

内核加载函数一般以__init 标识声明，典型的模块加载函数的形式如下所示：

static int __init init_func(void)
{
    ...
}
module_init(init_func);

返回整形值，成功返回0，失败返回错误码，如-ENODEV、ENOMEM（asm-generic/errno-base.h）。

在linux内核中，可以使用request_module加载内核代码，灵活地使用其他模块。

int __request_module(...);
eg:
request_module("module_name");

2.2 模块卸载函数

linux内核卸载模块一般以__exit标识声明，典型的模块卸载函数的形式如下所示：

static void exit_func(void)
{
    ...
}
module_exit(exit_func);

模块卸载函数在模块卸载的时候执行，不返回任何值，且必须使用module_exit函数来指定，我们使用__exit修饰模块卸载函数，可以告诉内核如果相关的模块被直接编译到内核，则exit_func函数会被省略，直接不链接到最后的镜像。

2.3 模块参数

我们可以用"module_param(参数名，参数类型，参数读/写权限)"，为模块定义一个参数。例如：

// test_lockup.c
static unsigned int time_secs;
module_param(time_secs, uint, 0600);
MODULE_PARM_DESC(time_secs, "lockup time in seconds, default 0");

在装载内核模块时，用户可以向模块传递参数，形式如下，如果模块内置了，就无法再insmod了。

insmode(或modprobe) 模块名参数名="参数值"，参数名="参数值"

参数类型可以byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、charp、bool、invbool。除此之外还可以使用"moudule_param_array"传递参数数组。

2.4 导出符号

Linux的"/proc/kallsyms"文件对应着内核符号表，记录了符号以及符号所在的内存地址。模块可以使用如下宏导出到内核符号表中，导出的符号可以被其他模块使用。

EXPORT_SYMBOL(符号名)；
EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名)；

2.5 模块声明和描述

linux可以可以声明模块的作用、描述、版本、设备表和别名、许可权限，如：

MODULE_AUTHOR("author");
MODULE_DESCRIPTION("description");
MODULE_VERSION("version");
MODULE_DEVICE_TABLE("device_table");
MODULE_ALIAS("alias");
MODULE_LICENSE("license");

2.6 模块的使用计数

linux2.4内核中，模块自身通过MOD_INC_USE_COUNT、MOD_DES_USE_COUNT来管理自己被使用的计数。

linux2.6内核中，提供了模块计数管理接口：

bool try_module_get(struct module *module)； //增加模块使用计数
void module_put(struct module *module)；     //减少模块使用计数

三、示例

模拟处理器软件：qemu

内核：linux-6.9.1

编译工具链：CONFIG_COMPILE=x86_64-linux-gnu-

架构：ARM=x86

3.1 foo.c

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


static int __init foo_init(void)
{
        printk(KERN_INFO "hello foo\n");
        return 0;
}

static void __exit foo_exit(void)
{
        printk(KERN_INFO "goodbye foo\n");
}

module_init(foo_init);
module_exit(foo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("simon");
MODULE_DESCRIPTION("a simple module example");
MODULE_VERSION("v1.0");
MODULE_ALIAS("simon_char");

3.2 Makefile

这里的示例没有嵌入到内核树中，是可以单独编译的。需要将Makefile和embei_foo.c放到同一个指令，执行make指令即可。

// Makefile
obj-m += foo.o

PWD=$(shell pwd)
KERNEL_DIR="/home/simon/share/linux/linux-6.9.1" // 换成自己的内核路径

all:
        make -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules
clean:
        make -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) clean

四、总结

本文首先对linux内核模块 的特点进行了概述，其模块本身不被编译到内核映像，从*有效地控制内核映像的大小，同时模块一旦加载，和内核的其他部分完全一样。

然后对内核的组成进行了讲解，其主要包含内核模块加载函数、卸载函数、模块参数、导出符号、模块声明和描述以及模块的使用计数。

最后以一个简单的模块示例，把整个流程跑了一遍，同时对涉及到的命令做了展示。希望大家可以掌握此部分的知识，为编写其他设备驱动做好准备。

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