构造和运行模块

作者：蔡伦辉
写在前面
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设置测试系统
在该小节中，有以下一段话：
“不管内核来自哪里，想要为2.6x内核构造模块，还必须在自己的系统中配置并构造好内核树。这一要求和先前版本的内核不同，先前的内核只要有一套内核头文件就够了。但因为2.6内核的模块要和内核源代码树中的文件连接，通过这种方式，可得到一个更加健壮的模块装载器，但也需要这些目标文件存在于内核目录树中。”
这段话说出了2.4和2.6两种版本的驱动模块的编写的一个不同之处。问题来自，我用的操作系统是Fedora Core 5。FC5在安装时是不安装源代码树在PC上的。所以我必须在我的FC5上建立内核源代码树。最好在构造内核模块时运行的恰好是目标内核。书上的例子是在版本2.6.10中构造的，用命令uname -r查看，FC5的版本信息为：2.6.15－1.2054_FC5。所以我要建立的内核源代码树的版本为2.6.15。下面详细介绍其建立过程。
1。  下载内核rpm包
rpm包名称：kernel-2.6.15-1.2054_FC5.src.rpm
下载地址：http://download.fedora.redhat.com/pub/fedora/linux/core/5/source/SRPMS/
kernel-2.6.15-1.2054_FC5.src.rpm
2。    安装rpm包
以root身份登陆，以下步骤都以root身份执行。进入保存rpm包的目录下，运行命令：
#rpm -Uvh kernel-2.6.15-1.2054_FC5.src.rpm
            该命令将rpm的内容写到路径/usr/src/redhat/SOURSE和/usr/src/redhat/SPECS下。
3。   build源码包
            #cd /usr/src/redhat/SPECS
#rpmbuild -bp --target i686 kernel-2.6.spec
该命令将会把内核源码树放到目录
/usr/src/redhat/BUILD/kernel-2.6.15/kernel-2.6.15.686
4。    配置内核
Fedora Core 5附带的内核配置文件在内核源码树的configs/目录下。
例如，i686 SMP 配置文件被命名为
configs/kernel-version-i686-smp.config。
但我的PC机为i686,单CPU，所以不是SMP，应该选的内核配置文件是：kernel-2.6.15-i686.config
注意：如果你的PC是单CPU的，而选 configs/kernel-version-i686-smp.config进行内核配置，则在建立代码树后运行后面的insmod hello.ko会失败，失败原因我在文件/var/log/messages中找到如下：Nov 23 04:55:02 localhost kernel: hello: version magic '2.6.15-1.2054_FC5 SMP 686 REGPARM 4KSTACKS gcc-4.1' should be '2.6.15-1.2054_FC5 686 REGPARM 4KSTACKS gcc-4.1'
一对比：
'2.6.15-1.2054_FC5 SMP 686 REGPARM 4KSTACKS gcc-4.1'
'2.6.15-1.2054_FC5 686 REGPARM 4KSTACKS gcc-4.1‘
看出区别了吧，原因是我选的配置文件不对。我一开始就犯了这个错误错误，结果不得不又从头开始进行漫长的编译。
使用下列命令来将需要的配置文件复制到合适的位置，用来编译：
#cd /usr/src/redhat/BUILD/kernel-2.6.15/linux-2.6.15.i686 
#cp configs/kernel-version-i686.config .config你也可以在 /lib/modules/version/build/.config 这个位置找到与您当前的内核匹配的 .config 文件。因为build是个连接，其连接目标就是/usr/src/redhat/BUILD/kernel-2.6.15/linux-2.6.15.i686
用以下命令调出内核配置菜单。
#make menuconfig
配置如下：
Loadable module support --->

• Enable loadable module support
• Module unloading
  [ ] Module versioning support (EXPERIMENTAL)
• Automatic kernel module loading       
  5。    修改Makefile
  每个内核的名字都包含了它的版本号，这也是 uname -r 命令显示的值。内核Makefile 的前四行定义了内核的名字。为了保护官方的内核不被破坏，Makefile经过了修改，以生成一个与运行中的内核不同的名字。在一个模块插入运行中的内核前，这个模块必须针对运行中的内核进行编译。为此,你必须编辑内核的Makefile。
  例如，如果 uname -r 返回字符串 2.6.15-1.2054_FC5，就将 EXTRAVERSION 定义从：
  EXTRAVERSION = -prep
  修改为：
  EXTRAVERSION = -1.2054_FC5
  也就是最后一个连字符后面的所有内容。
  6。    编译内核
  在目录/usr/src/redhat/BUILD/kernel-2.6.15/linux-2.6.15.i686下即Makefile所在的目录使用下面命令编译内核：
  #make bzImage           编译内核 
  #make modules           编译模块 
  #make modules_install   安装模块这一步可是一个漫长的过程啊，花去我差不多一个小时
  
  。
  7。    完成“内核树”的安装
  以上这一步如果没什么错误，到此就完成了内核代码树的建立。
  目录“/usr/src/redhat/BUILD/kernel-2.6.15/kernel-2.6.15.686/”中就是所谓的“内核代码树”，同时“/lib/modules/2.6.15-1.2054_FC5/build”是个符号链接，也指向这个目录，所以这里也可以叫做“内核代码树”。
  以上的建立步骤是在参考《在Linux 2.6内核下编译可以加载的内核模块》（原文地址http://blog.csdn.net/wooin/archive/2007/05/21/1619141.aspx）同时结合自己的实践而得出，增加一些说明并修正了其中的一些错误。
  完成以上的步骤，便为我们后面的实践打下了基础。
  Hello World模块
  要想验证我们的内核代码树是否成功建立，可以写个内核模块测试一下，就从Hello world程序开始。以下是名为hello.c的文件的代码：
                  
                  #include linux/init.h>
  #include linux/module.h>
  MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");//(1)
  static int hello_init(void)//(2) 
  {
     printk(KERN_ALERT "Hello, World!\n");//(3)
     return 0;
  }
  static void hello_exit(void) 
  {
     printk(KERN_ALERT "Goodbye, cruel World!\n");
  }
  module_init(hello_init);//(4)
  module_exit(hello_exit);//(5)
  代码说明：
      (1):
  MODULE_LICENSE是一个特殊的宏，用来告诉内核，该模块采用自由许可证；可以不要这样的声明，但不要的话，运行ismod hello.ko时会出现"hello: module
  license 'unspecified' taints
  kernel."，词典上对taints的解释是"感染，污点"，即内核在装载该模块时会产生抱怨
  
  ，内核有情绪？！还要注意的一点是，这句不要写到最后，放到(5)后面，还是会出现内核污染的提示。
      (2):对模块内的函数一般需要加上static关键字进行修饰，这样可防止模块外访问该函数，这是应该养成的一个好习惯。
      (3):printk函数相当于C标准库函数printf, KERN_ALERT是指的输出消息的优先级别。
      (4)(5):模块初始化和模块退出时有专门的函数，这个函数在2.4和2.6两种版本的内核有所区别。
  然后编写该程序的Makefile：
  # Makefile for hello.c
  obj-m:=hello.o
  KDIR:=/lib/modules/2.6.15-1.2054_FC5/build
  PWD:=$(shell pwd)
  default:
      $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
  .PHONY:clean
  clean:
      rm -f *.o *~ *.ko
  该Makefile为何这样写，可以参考相关资料，如我转载的《2.6驱动移植系列之Getting started(2）－－模块编译》和在内核代码的/Documentation/kbuild目录下的makefile.txt这篇文档。简单解析下，$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules命令首先改变目录到-C选项指定的位置（即内核源代码目录），其中保存有内核的顶层Makefile文件，因为build脚本会首先判断有无必要重新编译内核，所以如果需要先重新编译内核的话，编译过程会运行一段时间。M＝选项让该Makefile在构造modules目标之前返回到模块源代码目录。然后，modules目标指向obj-m变量中设定的模块。
  有一点需要注意的，Makefile文件名一定要大写，不能写出makefile，否则在你make时会出现“没有规则可以创建目标。停止”类似的提示。
  执行make命令进行编译就行了， 执行完毕后，会生成几个文件：
  hello.ko
  hello.mod.c
  hello.mod.o
  hello.o
  注意：2.6内核的模块后缀名为.ko
  运行命令：
  #insmod hello.ko挂载成功，但看不到输出:Hello World!。
  然后再运行命令：
  #rmmod hello同样卸载成功但也看不到输出：Goodbye, cruel world!
  后来查看日志文件/var/log/messages，哈哈，原来输出到这里来了！后来查找原因，原来在GNOME环境(即图形界面)信息不会输出到终端，在在控制台下则可以看到输出信息。按换到控制台模式，以root身份登陆，再运行insmod hello.ko，果然看到输出。再按可以切换回GNOME环境。
  如果你在运行insmod hello.ko时出现以下提示：
  insmod: error inserting 'hello.ko': -1 Invalid module format
  可能的原因有：
      1。内核源代码树没有建立好。
      2。编译器的版本不对。可以查看内核文档中的Documentation/Changes文件列出的需要的工具版本。
      3。Makefile编写不对。
  核心模块与应用程序的对比
  内核模块与应用程序的不同之处有：
      1。大多数小规模及中规模应用程序是从头到尾执行单个任务，而模块只是预先注册自己以便服务于将来的某个请求，然后它的初始化函数就立即结束。
      2。应用程序在退出时，可以不管资源的释放或者其他的清除工作，但模块的退出却必须仔细撤销初始化函数所做的一切，否则，在系统重新引导之前某些东西就会残留在系统中。
      3。模块运行在所谓的内核空间里，而应用程序运行在所谓的用户空间中。
  用户空间和内核空间
  操作系统的作用是为应用程序提供一个对计算机硬件的一致视图，除此之外，还必须负责程序的独立操作并保护资源不受非法访问。
  这两种运行模式都有自己的内存映射，也即自己的地址空间。
  每当应用程序执行系统调用或者被硬件中断挂起时，linux将执行模式从用户空间切换到内核空间。而处理硬件中断的内核代码和进程是异步的，与任何一个特定的进程无关。
  模块化代码在内核空间中运行，用于扩展内核功能。通常来讲，一个驱动程序要执行两类任务：模块中的某些函数作为系统调用的一部分而执行，而其他函数则负责中断处理。
  当前进程
  内核代码可以通过访问全局项current来获得当前进程。current指针指向当前正在运行的进程。在open,read等系统调用的执行过程中，当前进程指的是调用这些系统调用的进程。
  与早期linux内核版本不同，2.6中current不再是全局变量。然而，设备驱动程序只要包含头文件即可以引用当前进程。
  编译模块
  实际上hello world的makefile的一个更容易的写法是：
  # 如果已定义KERNELRELEASE，则说明是从内核构造系统调用的。
  # 因此可以利用其内建语句
  ifneq ($(KERNELRELEASE),) 
      obj-m := hello.o
  # 否则是直接从命令行调用
  # 这时要调用内核构造系统
  else 
      KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build 
      PWD := $(shell pwd) 
  default: 
      $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesendif 
  KERNELRELEASE是在内核源码的顶层Makefile中定义的一个变量，在第一次读取执行此Makefile时，KERNELRELEASE没
  有被定义，
  所以make将读取执行else之后的内容。如果make的目标是clean，直接执行clean操作，然后结束。当make的目标为all时，-C
  $(KDIR) 指明跳转到内核源码目录下读取那里的Makefile；M=$(PWD)
  表明然后返回到当前目录继续读入、执行当前的Makefile。当从内核源码目录返回时，KERNELRELEASE已被被定义，kbuild也被启动去
  解析kbuild语法的语句，make将继续读取else之前的内容。else之前的内容为kbuild语法的语句,
  指明模块源码中各文件的依赖关系，以及要生成的目标模块名。
  （continue...）