Linux设备驱动1：模块化编程初步讲解

大家好，在掌握了C语言，STM32单片机，Linux网络编程等基础知识之后，接下来开始慢慢渗透Linux驱动，本专栏会持续更新，供大家一起学习。诸君共勉。。。

一.什么是模块化编程？

Linux的开发者，遍布世界各地，他们相互之间大多数估计都不认识。如果真的是对这些开发者进行统一管理，那是很难做到的。所以大牛们，在设计Linux内核的时候，融入了模块化的思想。也就是说，现在大家已经有一个现成的Linux操作系统了，所有的开发者写的代码对于这个Linux操作系统而言都是一个模块，开发者可以以模块的形式将自己的代码添加到内核，也可以从操作系统中卸载自己的模块。这种思想，在实际的开发中特别别有用。

例如：在你的设备上已经运行了一个成熟的Linux操作系统，由于客户的需求变化，你需要向这个操作系统上添加一些功能。现在你有两种做法：

第一种：获得Linux源代码，然后修改，添加功能，貌似挺牛，但是如果你写的代码不能一次性到达效果，你就必须去修改，这样就每次必须重新编译内核，是不是很麻烦。最可怕的是你一不小心，把内核源码给修改错了，那该怎么办呀？

第二种：快速编写自己的功能代码，然后以模块的形式添加到Linux操作系统中，然后测试，发现不行，卸载模块，继续修改代码，添加模块（高富帅的干活方式）,。。是不是比使用第一种方法的苦逼程序员要轻松很多呀！
大家需要注意的是，一般我们都是通过模块化的方法向Linux操作系统添加驱动程序，那些Linux核心的代码，我个人觉得没有几个人会觉得不好，需要重新修改。

Linux 内核模块主要由以下几个部分组成：

模块加载函数（必须）：当通过insmod命令加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核执行，完成本模块相关初始化工作；
模块卸载函数（必须）：当通过rmmod命令卸载模块时，模块的卸载函数会自动被内核执行，完成与模块加载函数相反的功能；
模块许可证声明（必须）：模块许可证（LICENCE）声明描述内核模块的许可权限，如果不声明LICENCE,模块被加载时将收到内核被污染的警告。
模块参数（可选）：模块参数是模块被加载的时候可以被传递给他的值，它本身对应模块内部的全局变量；
模块导出符号（可选）：内核模块可以导出符号(symbol,对应于函数或变量)，这样其他模块可以使用本模块中的变量或函数；
模块作者等信息声明（可选）。

二.进行模块化编程：

参考代码：

linux/init.h
linux/module.h    //必须包含的头文件
MODULE LICENSE("GPL")
MODULE_AUTHOR("dazai")
static int hello_init(void)         //功能代码
{
    
    
	printk("hello_init\n");   //内核的printf函数，用于输出信息
	return 0;
}
static int hello_exit(void)         //功能代码
{
    
    
	printk("hello_exit\n");   //内核的printf函数，用于输出信息
	return 0;
}
module_init(hello_init);      //模块入口，完成模块加载
module_exit(hello_exit);      //模块出口，完成模块卸载

看完上面的代码，请相信，你已经对模块化编程有了一个基本的认识。上面这段代码虽然很简单，但是他包含了Linux内核模块化编程需要的所有信息。
我们来一起总结一下Linux内核模块化编程必备的步骤：

第一步：
包含linux/init.h和inux/module.h这两个头文件；

linux/init.h
linux/module.h

通过MODULE LICENSE(“GPL”):
告诉内核你的模块遵从"GPL"协议，这个事情必须得做。如果不知道GPL的读者自己去查找相关资料；Linux能够成功一个关键因素就是遵循了GPL，从而一发不可收拾，在全球蔓延开来。
MODULE_AUTHOR(“dazai”):
用来指定编写这个模块的作者，可以不写。
第二步：
编写功能代码，注意这里没有main函数，这里叫模块的入口函数，函数名一般叫“xxx_init”，这里叫"hello_init"。你可以把模块的入口函数当做你的main函数，你的代码就从这个地方起步吧！
那这个函数什么时候被调用呢？
在模块加载到Linux内核的时候，Linux内核会调用这个函数模块的退出函数，这个函数的名字一般叫“xxx_exit”，这里叫“hello_exit”。这个函数里，我们一般会做些资源的释放。在模块卸载的时候会被调用到。当一个模块卸载的时候，我们肯定要把它占用的资源释放掉，不然不就造成资源浪费了。

第三步：
告诉内核，你的模块入入口和模块出口。Linux内核提供了两个宏，分别是：module_init 和 module_exit.

三.Linux内核打印函数printk:

printk的用法和printf类似，printf用于用户空间，printk用于内核空间。用printk函数时，内核会根据日志级别，可能把消息打印到当前控制台上，这个控制台通常是一个字符模式的终端、一个串口打印机或是一个并口打印机。

这些消息正常输出的前提是：日志输出级别小于console_loglevel(在内核中数字越小优先级越高）。
日志级别一共有8个级别，printk的日志级别定义如下:
（在include/linux/kemel.h中）:
在这里插入图片描述
**没有指定日志级别的printk语句默认采用的级别是:**DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL(这个默认级别一般为<4>,即与KERN_WARNING在一个级别上）。
我们可以通过cat/proc/sys/kemel/printk这个文件，查看系统默认的日志级别：

cat/proc/sys/kemel/printk

在这里插入图片描述
printk，其实不用想那么复杂，你就把它当做printf使用也可以的，在这里我们还不能测试printk输出的消息，是否能到控制台上，因为我们不知道如何编译我们的模块代码、如何加载我们的模块、如何卸载我们的模块。
好，接下来我们来看看，如何编译我们的模块。

四.模块的编译:
这里，先给出Linux模块化编译的流程：
在这里插入图片描述
模块的编译分两步：
第一步：调用linux源码树的Makefile进行收集编译一个模块所需要的信息
第二步：linux源码树的Makefile在收集完信息后，调用模块的Makefile。获取需要编译成模块的“.c”文件，最后生成模块文件.ko。

明白了模块的编译流程，接下来我们就来看具体如何编写模块的Makefile。

# KERNELRELEASE :在内核源码树的Makefile中定义，在当前的Makefile中，
它的值为空
#$(shell uname-r) :获得当系统的Linux内核版本
#KDIR      :制定当前Linux操作系统源代码路径，即编译生成的模块是在当
前系统中使用
#如果想将你写的模块，用在你的开发板上运行的Linux系统中，
只需在KDIR变量中指定你开发板Linux系统源码树的路径
#PWD:=$(shell pwd)获得当前路径

在这里插入图片描述
我们来分析Makefile的执行过程：

在模块的源代码目录下执行make，此时，宏“KERNELRELEASE”【内核源码树的Makefile会定义】没有定义，因此进入else；
记录内核路径KDIR和当前工作目录PWD；
由于make 后面没有目标，所以make会在Makefile中的第一个不是以.开头的目标作为默认的目标执行，于是all成为make的目标；
all：的第一个命令

类似于printf函数，编译经过此处会打印提示信息。
make的第二条命令会执行 make -C $(K D I R) M =$ (PWD) modules
翻译下就是：

make -C /lib/modules/3.2.0-29-generic-pae/build M=/home/peng/driver/1/module modules
-C 表示到存放内核的目录执行其Makefile，
M=$(PWD)表示返回到当前目录，
modules表示编译成模块的意思

之所以这么写是由内核源码树的顶层Makefile告诉我们的，当我们调用Linux内核源码树顶层的Makefile时，找到的是顶层Makefile的“modules”目标。我们来看下顶层Makefile的modules目标写了什么：
在这里插入图片描述

【截取了部分内容，我们没有必要全部了解，只需要关心红色部分即可，特别是对应的英文注释】

找到modules目标后，接下来Linux源码树的顶层Makeflle就需要知道是将那些".c"文件编译成模块。谁告诉它呢？是的，模块的Makefile文件。所以接下来就会回调模块的Makefile。需要注意的是，此时KERNELRELEASE已经在Linux内核源码树的顶层Makefile中定义过了，所以此时它获得信息是：

obj-m:=hello.o

obj-m表示会将hello.o目标编译成.ko模块；它告诉linux源码树顶层Makefile是动态编译（编译成模块）而不是编译进内核（obj-y）,linux源码树顶层Makefile会根据hello.o找到hello.c文件

将模块文件hello.c编译为.o,然后再将多个目标链接为.ko。

最终编译结果如下：
在这里插入图片描述
由执行结果可知，Makefile最终被调用了三次：
1）执行命令make调用
2）被linux内核源码树的顶层Makefile调用，产生.o文件
3）被linux源码树顶层Makefile调用，将.o文件链接生成.ko文件

五.模块的加载、卸载:

如何将编译好的模块添加到Linux内核？如何从Linux内核将我们的模块卸载下来？
1.模块的加载命令:

insmod xxx.ko

例如：在ubuntu系统中添加自己写的模块
sudo insmod hello.ko
注意：在Linux系统中只有超级用户权限才可以添加模块到内核。
2.查看系统中的模块命令:

lsmod

例如：在系统中搜索自己添加的hello模块

sudo lsmod | grep hello

3.卸载模块命令:

sudo mmod hello

4.查看加载模块和卸载模块通过printk打印的信息命令:

dmesg或dmesg|tail

这个命令主要是从Linux内核的ring buffer(环形缓冲区)中读取信息的。

那什么是ring buffer呢？
在Limux系统中，所有通过printk打印出来的信息都会送到ring buffer中。我们知道，我们打印出来的信息是需要在控制台设备上显示的。在Linux内核初始化的时候，控制台设备并没有初始化的时候，使用printk会不会有问题
控制台设备，因为此时printk只是把信息输送到ring buffer中，等控制台设备初始化好后，在根据ring buffer中消息的优先级决定是否需要输送到控制台设备上。

如何清空ring buffer呢？

sudo dmesg -c

操作结果如下：
在这里插入图片描述
注意哟：哒宰操作全部在特权模式下，如果在普通用户权限下前面加sudo。

Linux设备驱动1：模块化编程初步讲解

Linux设备驱动1：模块化编程初步讲解

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