Linux設備驅動程序學習（0）－Hello, world模塊

原文地址：Linux設備驅動程序學習（0）－Hello, world模塊作者：tekkamanninja

Linux設備驅動程序學習（0）
－設備驅動介紹& Hello, world！模塊

設備驅動程序的作用

設備驅動程序就是這個進入Linux內核世界的大門。設備驅動程序在Linux內核中扮演着特殊的角色。它是一個獨立的“黑盒子”，使某個特定硬件響應一個定義好的內部編程接口，這些接口完全隱藏了設備的工作細節。用戶的操作通過一組標準化的調用執行，而這些調用獨立於特定的驅動程序。將這些調用映射到作用於實際硬件的設備特有操作上，則是設備驅動程序的任務。

設備驅動的分類

字符設備：字符(char)設備是個能夠像字節流（類似文件）一樣被訪問的設備。字符設備驅動程序通常至少要實現open、close、read和write系統調用。

塊設備：一個塊設備驅動程序主要通過傳輸固定大小的數據來訪問設備。塊設備和字符設備的區別僅僅在於內核內部管理數據的方式，也就是內核及驅動程序之間的軟件接口，而這些不同對用戶程序是透明的。在內核中，和字符驅動程序相比，塊驅動程序具有完全不同的接口。

網絡接口：任何網絡事務都經過一個網絡接口形成，即一個能夠和其他主機交換數據的設備。它可以是個硬件設備，但也可能是個純軟件設備。訪問網絡接口的方法仍然是給它們分配一個唯一的名字（比如eth0），但這個名字在文件系統中不存在對應的節點。內核和網絡設備驅動程序間的通信，完全不同於內核和字符以及塊驅動程序之間的通信，內核調用一套和數據包傳輸相關的函數而不是read、write等。

驅動模塊的特點

（1）驅動模塊運行在內核空間，運行時不能依賴於任何標準C庫等應用層的庫、模塊，所以在寫驅動時所調用的函數只能是作爲內核一部分的函數，即使用“EXPORT_SYMBOL”導出的函數。

àinsmod使用公共內核符號表來解析模塊中未定義的符號。公共內核符號表中包含了所有的全局內核項（即函數和變量的地址），這是實現模塊化驅動程序所必須的。

àLinux使用模塊層疊技術，我們可以將模塊劃分爲多個層，通過簡化每個層可縮短開發週期。如果一個模塊需要向其他模塊導出符號，則使用下面的宏：

EXPORT_SYMBOL(name);
EXPORT_SYMBOL_GPL(name);

符號必須在模塊文件的全局變量部分導出，因爲這兩個宏將被擴展爲一個特殊變量的聲明，而該變量必須是全局的。

（2）驅動模塊和應用程序的一個重要不同是：應用程序退出時可不管資源釋放或者其他的清除工作，但模塊的退出函數必須仔細撤銷初始化函數所作的一切，否則，在系統重新引導之前某些東西就會殘留在系統中。

（3）處理器的多種工作模式（級別）其實就是爲了操作系統的用戶空間和內核空間設計的。在Unix類的操作系統中只用到了兩個級別：最高和最低級別。

（4）要十分注意驅動程序的併發處理。

（5）內核API中具有雙下劃線（_ _）的函數，通常是接口的底層組件，應慎用。

（6）內核代碼不能實現浮點數運算。參考資料：http://blog.chinaunix.net/u/30180/showart.php?id=1421920

模塊結構介紹

利用Linux設備驅動程序的第一個例程：Hello World模塊瞭解內核驅動模塊的結構。

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

static int hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Hello, Tekkaman Ninja ！\n");
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Goodbye, Tekkaman Ninja ！\n Love Linux !Love ARM ! Love KeKe !\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

1．所有模塊代碼中都包含一下兩個頭文件：

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

2．所有模塊代碼都應該指定所使用的許可證：

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

此外還有可選的其他描述性定義：

MODULE_AUTHOR("");
MODULE_DESCRIPTION("");
MODULE_VERSION("");
MODULE_ALIAS("");
MODULE_DEVICE_TABLE("");

上述MODULE_聲明習慣上放在文件最後。

3．初始化和關閉

初始化的實際定義通常如下：

static int _ _init initialization_function(void)
{
/*初始化代碼*/
}

module_init(initialization_function)

清除函數的實際定義通常如下：

static int _ _exit cleanup_function(void)
{
/*清除代碼*/
}

module_exit(cleanup_function)

4．一個簡單的Makefile文件：

KERNELDIR = /home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2

PWD := $(shell pwd)

INSTALLDIR = /home/tekkaman/working/rootfs/lib/modules

CROSS_COMPILE = arm-9tdmi-linux-gnu-

CC = $(CROSS_COMPILE)gcc

obj-m := hello.o

.PHONY: modules modules_install clean

modules:

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

modules_install:

cp hello.ko $(INSTALLDIR)

clean:

rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions

obj-m := hello.o

代表了我們要構造的模塊名爲hell.ko，make 會在該目錄下自動找到hell.c文件進行編譯。如果 hello.o是由其他的源文件生成（比如file1.c和file2.c）的，則在下面加上（注意紅色字體的對應關係）：

hello-objs := file1.o file2.o ......

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

-C $(KERNELDIR) 指定了內核源代碼的位置，其中保存有內核的頂層makefile文件。

M=$(PWD) 指定了模塊源代碼的位置

modules目標指向obj-m變量中設定的模塊。

5．編譯模塊

make modules 、 make modules_install 。

[root@Tekkaman-Ninja Helloworld]# make modules
make -C /home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2 M=/home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld modules
make[1]: Entering directory `/home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2'
CC [M] /home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld/hello.o
Building modules, stage 2.
MODPOST 1 modules
CC /home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld/hello.mod.o
LD [M] /home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld/hello.ko
make[1]: Leaving directory `/home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2'
[root@Tekkaman-Ninja Helloworld]# make modules_install
cp hello.ko /home/tekkaman/working/rootfs/lib/modules
[root@Tekkaman-Ninja Helloworld]#

6．在開發板上的操作：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ls

cs89x0.ko hello.ko p80211.ko prism2_usb.ko

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod hello.ko

Hello, Tekkaman Ninja ！

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod

Module Size Used by Not tainted

hello 1376 0

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod hello

Goodbye, Tekkaman Ninja ！

Love Linux !Love ARM ! Love KeKe !

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod

Module Size Used by Not tainted

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#

Linux內核模塊的初始化出錯處理一般使用“goto”語句。

通常情況下很少使用“goto”，但在出錯處理是（可能是唯一的情況），它卻非常有用。在大二學習C語言時，老師就建議不要使用“goto”，並說很少會用到。在這裏也是我碰到的第一個建議使用“goto”的地方。“在追求效率的代碼中使用goto語句仍是最好的錯誤恢復機制。”－－《Linux設備驅動程序（第3版）》以下是初始化出錯處理的推薦代碼示例：

struct something *item1;
struct somethingelse *item2;
int stuff_ok;

void my_cleanup(void)
{
if (item1)

        release_thing(item1);
    if (item2)
        release_thing2(item2);
    if (stuff_ok)
        unregister_stuff();
    return;
}
int __init my_init(void)
{
    int err = -ENOMEM;
    item1 = allocate_thing(arguments);
    item2 = allocate_thing2(arguments2);
    if (!item2 || !item2)
        goto fail;
    err = register_stuff(item1, item2);
    if (!err)
        stuff_ok = 1;
    else
        goto fail;
    return 0; /* success */

fail:
my_cleanup( );
return err;
}

模塊參數

內核允許對驅動程序指定參數，而這些參數可在裝載驅動程序模塊時改變。
以下是我的實驗程序：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
static char *whom = "Tekkaman";
static int howmany = 1;
static int param_array[] = {0,0,0,0};
static int param_array_nr;
module_param(howmany, int, S_IRUGO);
module_param(whom, charp, S_IRUGO);
module_param_array(param_array , int , &param_array_nr , S_IRUGO);
static int hello_init(void)
{
int i;
printk(KERN_ALERT "Hello, Linux ！\n");
for (i = 0; i < howmany; i++) {
printk(KERN_ALERT "(%d) Hello, %s\n", i, whom);
}
for (i = 0; i < param_array_nr; i++) {
printk(KERN_ALERT "param_array[%d] : %d \n", i, param_array[i]);
}
return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "Goodbye, Linux ！\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
EXPORT_SYMBOL(hello_init);
MODULE_DESCRIPTION("hello_linux test module");
MODULE_ALIAS("hello_world");
MODULE_INFO(tekkaman, "ninja");
MODULE_VERSION("v1.0");
MODULE_AUTHOR("Tekkaman");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

實驗結果是：

root@tekkaman:~# ls
hello_linux.ko
root@tekkaman:~# insmod hello_linux.ko param_array=9,8,7
Hello, Linux ！
(0) Hello, Tekkaman
param_array[0] : 9
param_array[1] : 8
param_array[2] : 7
root@tekkaman:~# rmmod hello_linux.ko
Goodbye, Linux ！
root@tekkaman:~# insmod hello_linux.ko param_array=9,8
Hello, Linux ！
(0) Hello, Tekkaman
param_array[0] : 9
param_array[1] : 8
root@tekkaman:~# rmmod hello_linux.ko
Goodbye, Linux ！
root@tekkaman:~# insmod hello_linux.ko param_array=9,8,7,6
Hello, Linux ！
(0) Hello, Tekkaman
param_array[0] : 9
param_array[1] : 8
param_array[2] : 7
param_array[3] : 6
root@tekkaman:~# rmmod hello_linux.ko
Goodbye, Linux ！
root@tekkaman:~# insmod hello_linux.ko param_array=9,8,7,6,5
param_array: can only take 4 arguments
hello_linux: `9' invalid for parameter `param_array'
insmod: error inserting 'hello_linux.ko': -1 Invalid parameters

module_param_array(param_array , int , &param_array_nr , S_IRUGO);”中

&param_array_nr是用於保存模塊加載時輸入數組參數的成員數目的。

以前我錯誤的以爲這個是輸入參數，其實這個用於內核模塊加載器輸出的。

（15）“#include <linux/sched.h>” 最重要的頭文件之一。包含驅動程序使用的大部分內核API的定義，包括睡眠函數以及各種變量聲明。

（16）“#include <linux/version.h>” 包含所構造內核版本信息的頭文件。

在學習過程中找到了幾篇很好的參考文檔：
（1）第一章模塊（Modules） URL：http://greenlinux.blogcn.com/diary,103232026.shtml
（2）《從 2.4 到 2.6：Linux 內核可裝載模塊機制的改變對設備驅動的影響》
URL：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-module26/
（3）《Linux2.6內核驅動移植參考》
URL：http://blog.chinaunix.net/u1/40912/showart_377391.html

以上就是我對《Linux設備驅動程序（第3版）》的《第二章構造和運行模塊》的學習總結。

Linux設備驅動程序學習（0）－Hello, world模塊

再談23種設計模式（3）：行爲型模式（學習筆記）

Power Automate Desktop 安裝完，登錄後老是提示one driver 錯誤

微前端學習筆記(4):從微前端到微模塊之EMP與hel-micro方案探索

微前端學習筆記（1）：微前端總體架構概述，從微服務發微

985 碩士程序員，空窗 4 個月沒有 Offer！

一文搞懂 Spring 循環依賴

賽博鬥地主——使用大語言模型扮演Agent智能體玩牌類遊戲。

VScode右鍵打開(添加到右鍵)

記一次 .NET某工控視覺自動化系統卡死分析

WindowsServer--SQL Server搭建主從同步實現讀寫分離 - 事務性分發

Android Camera OMXCameraAdapter.cpp初始化分析

android drivers博文收藏鏈接

Linux設備驅動程序學習（0）－Hello, world模塊

Android OMAP4 Ducati 和 OpenMax IL介紹

Linux設備驅動程序學習（2）-調試技術(補充)

Mac下配置sublime實現LaTeX

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結