Linux内核模块基础
1内核简单模块的编写
date可以获取当前系统时间，如下面示例。
下面我们通过编写一个简单的内核模块直接获取当前系统时间。
1.1模块源码编写
Linux内核源码中，定义了一个struct timeval结构体，结构体中有两个成员变量tv_sec，tv_usec，分别保存当前系统时间的秒和毫秒，time_t和suseconds_t类型变量在x86架构中，均为long型，变量类型定义在文件include/linux/time.h中。
00018: struct timeval {
00019: time_t tv_sec; / * seconds */
00020: suseconds_t tv_usec; / * microseconds */
00021: };
00022:
模块源码如下：
00001:
00002: #include <linux/ module.h>
00003: #include <linux/ time.h>
00004:
00005: static char modname[] = "time";
00006:
00007: extern struct timespec xtime;
00008:
00009: int init_module( void )
00010: {
00011: struct timeval tv;
00012: printk( "Installing %s module.", modname );
00013: do_gettimeofday(&tv);
00014: printk("\njiffies:%lu, tv.tv_sec:%lu, tv.tv_nsec:%lu ", jiffies, tv.tv_sec, tv.tv_usec);
00015:
00016: return 0;
00017: }
00018:
00019:
00020: void cleanup_module( void )
00021: {
00022: printk( "\nRemoving %s module.", modname );
00023: }
00024:
00025: MODULE_LICENSE("GPL");
00026:
1.2Makefile
Makefile，执行make，即可编译生成内核模块，生成后缀名为.ko的文件。
Makefile内容：
注意：在default：后面的$（MAKE） … … 和rm –r … …两行前面必须是Tab键，不能为空格或其他字符，否则执行make时，会报告“Makefile:10: *** missing separator. Stop.”错误。
1.3模块加载
make，编译生成模块.ko文件后，就可以通过insmod命令来加载模块。
lsmod命令可以查看驱动是否成功加载到内核中。
insmod命令加载刚编译成功的time.ko模块后，似乎系统没有反应，也没看到打印信息。而事实上，内核模块的打印信息一般不会打印在终端上。驱动的打印都在内核日志中，我们可以使用dmesg命令查看内核日志信息。
time.ko获取到的当前系统时间为1289489871秒，与执行date ‘+%s’命令获取到的值一致。
2内核模块版本与符号表
insmod: error inserting 'time.ko': -1 Invalid module format”，内核会打印类似信息“time: version magic '2.6.32.12-0.7-default SMP mod_unload modversions ' should be '2.6.18-92.el5 SMP mod_unload gcc-4.1'”。
2.1内核模块版本号
modinfo，如查看刚才我们编写的time.ko。
vermagic“一项，当前系统中使用的模块版本号都是相同的。
模块版本号是哪里决定的？我们是否可以更改？我们是否可以在当前系统中，编译其他内核版本的模块？
2.1.1模块版本号的确定
make编译模块时，通过-C参数制定内核源码头文件位置。前面我们编译time模块内核源码头文件位置为/lib/modules/2.6.32.12-0.7-default/build。
make -C /lib/modules/2.6.32.12-0.7-default/build SUBDIRS=/root/programming modules
我们来分析模块版本号的确定
vermagic: 2.6.32.12-0.7-default SMP mod_unload modversions
RHEL5系统中，模块版本号vermagic由include/linux/vermagic.h和include/linux/utsrelease.h两个文件的内容来决定，即vermagic就为VERMAGIC_STRING。
include/linux/utsrelease.h的内容如下：
include/linux/vermagic.h的内容如下：
SLES11.1内核2.6.32.12-0.7-default的模块版本号VERMAGIC_STRING由scripts/mod/modpost可执行文件确定。
2.1.2模块版本号的修改
VERMAGIC_STRING确定产生，若我们需要修改模块版本号或希望在当前内核版本中编译其他内核的模块（注意gcc大版本和CPU架构i686/x86_64保持一致），只需要修改控制模块的VERMAGIC_STRING值即可。
time模块在RHEL5.2内核中编译RHEL5.3内核模块，然后在RHEL5.3系统上可以加载。
2.1.3编译非当前内核版本模块
OS发行版本）差别不大的情况下，可以方便修改某块版本。本小节介绍如何编译非当前内核版本模块。
步骤：
- 将待编译特定内核源码开发包拷贝到当前系统中某个目录下
SLES11.1 x86_64系统中编译RHEL5.5 x86_64内核模块，应先将RHEL5.5 x86_64内核开发包拷贝到SLES11.1系统中。
- 修改Makefile，将KDIR指向待编译内核开发包目录
Makefile中，设置KDIR变量为指定内核源码目录位置。
3、执行make，编译模块
modinfo命令来查看新生成模块的版本号。如
#modinfo /root/programming/time.ko
Invalid module format”时，通过dmesg命令查看加载失败原因。
include/linux/vermagic.h文件即可，将gcc版本信息值改为固定值gcc-4.1即可。
2.2内核符号表及使用
insmod使用公共内核符号表解析模块中未定义的符号。公共符号表中包含了所有的全局内核项（即函数和变量）的地址，内核符号表的内容全部在文件/proc/kallsyms中，可以通过cat等命令查看。内核和模块将函数、变量导出后，就成为内核符号表的一部分。
do_gettimeofday（）。
内核中有两个宏用来导出函数和变量：
EXPORT_SYMBOL(symbolname)
将函数或变量导出到所有模块
EXPORT_SYMBOL_GPL(symbolname)
GPL模块
我们也可以在自己的模块中导出部分函数或变量，这样其他模块就可以访问这部分函数、变量。C语言用户态程序编程中，我们常会使用在其他C文件或lib库中定位的函数和变量，内核符号表和这有相似之处。
/proc/kallsyms文件中。
内核符号表中，第一列为函数或变量的在内核中的地址，第二列为符号的类型，第三列为符号名，第四列为符号所属的模块。若第四列为空，则表示该符号属于内核代码。
- 内核符号属性
符号属性 | 含义 |
b | 符号在未初始化数据区（BSS） |
c | 普通符号，是未初始化区域 |
d | 符号在初始化数据区 |
g | 符号针对小object，在初始化数据区 |
i | 非直接引用其他符号的符号 |
n | 调试符号 |
r | 符号在只读数据区 |
s | 符号针对小object，在未初始化数据区 |
t | 符号在代码段 |
u | 符号未定义 |
T、U等。其他符号属性含义，请参考命令nm的帮助信息。
00273: / * Only label it "global" if it is exported. */
00274: static void upcase_if_global(struct kallsym_iter *iter)
00275: {
00276: if (is_exported(iter- >name, iter- >owner))
00277: iter- >type += 'A' - 'a';
00278: }
00279:
若打算使用内核中的符号，在模块中增加函数或变量说明即可。如：
00091: extern struct timespec xtime;
3模块版本控制
Linux内核版本在不变升级，内核提供的API或符号可能也随之变化。这对内核模块开发来说，是一个比较麻烦的问题，通常要适应不同的内核版本，或者只针对具体某些内核版本开发。
内核为了确保模块的函数接口与内核借口一致，采用了模块版本控制。版本控制最简单的办法就是为了内核和模块都设置一个常量，该常量会随着接口变化而不断增加。加载模块时，内核会检查模块提供的常量是否和内核版本常量相等，若不相等则拒绝加载。
API的变化考虑进去。实际的模块和内核实现无关，模块和内核关系密切的是API接口。
3.1checksum方法
CRC checksum原理是使用函数的参数来计算校验码，若校验码不相等，加载模块失败。
load_module（）（文件kernel/module.c）。1767行会调用check_modstruct_version（）函数来检查struct_module符号的CRC校验码。若校验码不相等，则提示“disagrees about version of symbol struct_module”。如
hwinc_kernel_driver: disagrees about version of symbol struct_module
Found checksum B6AF205C vs module F3D5F8AF
01600: static struct module *load_module(void __user *umod,
01601: unsigned long len,
01602: const char __user *uargs)
01603: {
01604: Elf_Ehdr *hdr;
01605: Elf_Shdr *sechdrs;
… …
01766: / * Check module struct version now, before we try to use module. */
01767: if (! check_modstruct_version(sechdrs, versindex, mod)) {
01768: err = - ENOEXEC;
01769: goto free_hdr;
01770: }
01771:
01772: modmagic = get_modinfo(sechdrs, infoindex, "vermagic");
01773: / * This is allowed: modprobe - - force will invalidate it. */
01774: if (! modmagic) {
01775: add_taint_module(mod,TAINT_FORCED_MODULE);
01776: printk(KERN_WARNING "%s: no version magic, tainting
kernel.\n",
01777: mod- >name);
01778: } else if (! same_magic(modmagic, vermagic )) {
01779: printk(KERN_ERR "%s: version magic '%s' should be '%s'\n",
01780: mod- >name, modmagic, vermagic );
01781: err = - ENOEXEC;
01782: goto free_hdr;
01783: }
*.mod.c文件，该文件中包含了模块中各个符号的校验码。校验码的生成，由scripts/genksyms/genksyms计算生成。
注意：scripts/genksyms/genksyms文件是在内核源码目录或内核开发包目录中，如/usr/src/linux-2.6.32.12-0.7-obj/x86_64/default/scripts/genksyms/genksyms
3.2vermagic
查看内核版本模块信息时，会看到vermagic一项。模块在装载时，load_module（）函数会比较（如前面代码的1772行）当前运行内核的vermagic和当前要加载的模块的vermagic比较，如果不同，则禁止加载模块。
Vermagic的的确定请参考章节2.1.1。
3.3内核模块版本控制使能与关闭
disagrees about version of symbol struct_module”，而导致模块无法加载的情况。
3.3.1内核中关闭/使能
.config中，注释掉CONFIG_MODVERSIONS就取消了模块版本控制。
CONFIG_MODVERSIONS=y
重新编译内核，重启即可。
3.3.2模块中关闭/使能版本控制
vermagic和内核一致，但struct_module的版本号不一致。我们可以不修改当前内核，重新编译模块即可解决问题。
.config配置文件覆盖模块编译指向的内核开发包（源码）.config文件。
.config配置文件的获取：（1）可以拷贝/proc/config.gz，然后解压缩，拷贝为.config；（2）若/proc/config.gz不存在，可以使用/boot/目录下对应的内核配置文件；（3）或向内核提供者获取.config配置文件。
.config（在内核源码或开发包根目录下），注释掉或删除CONFIG_MODVERSIONS选项，重新编译模块即可去除模块的版本控制。
CONFIG_MODULES=y
CONFIG_OBSOLETE_MODPARM=y
#CONFIG_MODVERSIONS=y
CONFIG_MODULE_SIG=y
4内核模块参数
在用户执行系统命令或其他程序时，可以使用参数。内核模块也可以使用参数。
module_param（）声明，该宏定义在include/linux/moduleparam.h文件中。module_param（）需要三个参数：参数名称、类型、sysfs文件系统入口项的访问权限掩码。
province和population两个参数（参数仅作示范，和系统时间无任何关系）。
00001: #include <linux/ module.h>
00002: #include <linux/ time.h>
00003: #include <linux/ moduleparam.h>
00004:
00005: static char modname[] = "time";
00006:
00007: static char *province = "Guangdong";
00008: module_param(province, charp, 0);
00009: static int population = 10000;
00010: module_param(population, int, 0);
00011:
00012: int init_module( void )
00013: {
00014: struct timeval tv;
00015: printk( "Installing %s module.", modname );
00016: do_gettimeofday(&tv);
00017: printk("\njiffies:%lu, tv.tv_sec:%lu, tv.tv_nsec:%lu ",
00018: jiffies, tv.tv_sec, tv.tv_usec);
00019:
00020: printk("\nProvince:%s, Population:%d \n", province , population );
00021:
00022: return 0;
00023: }
00024:
00025:
00026: void cleanup_module( void )
00027: {
00028: printk( "\nRemoving %s module.", modname );
00029: }
00030:
00031: MODULE_LICENSE("GPL");
00032:
time后，内核打印信息：
内核模块支持的参数类型如下：
bool
invbool
charp：字符串指针。内核会为用户提供的字符串自动分配内存。
int
long
short
uint：unsigned int
ulong：unsigned long
ushort：unsigned short5模块入口/出口函数及其他
每个内核模块都要有初始化（入口）函数和清除（出口）函数，清除函数负责在模块被移除前注销接口并向系统返回所有资源。
time模块的示例中，并没有像用户态C程序一样有main（）入口函数。time模块入口函数为init_module（），而出口函数为cleanup_module（）。
/出口函数名称。通过module_init（）和module_exit（）函数分别指定。如LSISAS1068E驱动mptsas中的入口/出口函数：
04828: module_init(mptsas_init);
04829: module_exit(mptsas_exit);
在模块中，我们还可以添加作者信息、模块描述、模块版本等信息。
MODULE_AUTHOR（）：模块作者信息
MODULE_DESCRIPTION（）：模块描述
MODULE_LICENSE（）：模块协议
MODULE_VERSION（）：模块版本
如：
00070: #define my_NAME "Fusion MPT SCSI Host driver"
00071: #define my_VERSION MPT_LINUX_VERSION_COMMON
00072: #define MYNAM "mptscsih"
00073:
00074: MODULE_AUTHOR(MODULEAUTHOR);
00075: MODULE_DESCRIPTION(my_NAME);
00076: MODULE_LICENSE("GPL");
00077: MODULE_VERSION(my_VERSION);
6内核模块与用户程序区别
6.1用户空间与内核空间
CPU寄存器和其他所有资源。
- CPU指令和所有的内存空间、I/O空间。
- 用户空间只能访问有限的资源，若需要特殊权限，可以通过系统调用获取相应的资源。
- 用户空间允许页面中断，而内核空间则不允许。
- 0-3G的地址范围，内核空间是3G-4G的地址范围。
- 内核空间和用户空间是针对线性地址空间的。
- 所有内核进（线）程共用一个地址空间，而用户进程都有各自的地址空间。
- Linux 32位系统用户空间与内核空间
6.2内核模块与应用程序的对比
- 内核模块具有独立的地址空间
模块运行在内核空间中。应用程序运行在用户空间中。系统软件受到保护，不允许用户程序访问。内核空间和用户空间有各自独立的内存地址空间。
- 内核模块具有更高的执行特权
运行在内核空间中的代码要比运行在用户空间中的代码具有更大的特权。
- 内核模块不按顺序执行
用户程序通常按顺序执行并且从头到尾地执行单独的任务。内核模块并不按顺序执行，它注册自己是为了服务将来的请求。
- 内核模块可以被中断
SMP）系统中，驱动程序可能在多个 CPU 上并发地执行。
- 内核模块必须是可抢占的
- 内核模块能够共享数据
一个应用程序的不同线程常常不会共享数据。与之相对应的是，组成驱动程序的数据结构和例程被所有使用驱动程序的线程所共享。驱动程序必须能够处理由多个请求导致的竞争问题。
- 错误处理
Segmentation Fault，而内核模块的错误影响整个系统，甚至使内核
7常见问题处理
1、头文件引用
#include <linux/time.h>，但两者文件所在的位置是不同的。
time.h，在gcc库文件中，一般位置是/usr/include/linux/time.h或/usr/include/sys/time.h。
time.h，在内核源码头文件中，一般位置是<内核版本>/include/linux/time.h，如/usr/src/kernels/2.6.18-128.el5-x86_64/include/linux/time.h。
2、提示内核build目录不存在
make时，有的系统会提示类似“make: *** /lib/modules/2.6.18-128.el5xen/build: No such file or directory. Stop.”错误信息。原因在于内核源码开发包没有安装。
解决办法：安装当前内核版本的源码开发包。
3、模块加载提示“Invalid Module Format”
解决步骤：
- dmesg命令，查看模块提示Invalid Module Format的详细原因
- 根据提示信息，结合本章提到内核模块版本号与修改一些，修复相应的错误。
4、模块加载提示“Symbol not found”
解决步骤：
- dmesg命令，查看模块哪些符号在当前系统中不存在。
- modinfo命令，查看当前模块依赖关系，并检查依赖的模块是否已加载到系统中。
4、模块加载提示“disagrees about version of symbol struct_module”
请参考“模块版本控制”一节。
5、是否有办法将模块加载到非当前内核版本中，而不重新编译模块？
CPU架构相同的情况下，如2.6.18-92.e15 i686和2.6.18-194.e15 i686内核，可以直接二进制编辑模块，修改模块的版本信息，这样就可以加载到非当前内核版本中了。
