Linux内核模块驱动加载与调试

1、理论基础

1.1、KO文件：是kernel object文件，也就是linux kernel下的模块加载文件

1.2、ko文件的作用：一般情况下，内核中会有许多已经加载进去的模块，而有些驱动模块并不需要一直加载到内核中，为了减少内核的压力，就将这些模块写好，当需要的时候再加载带内核中去

1.3、模块机制：（Linux提供的模块机制）

1.3.1、模块自身不被编译到内核映像中，从而不影响内核映像的大小

1.3.2、一旦模块被加载，模块和内核中的其他部分的功能完全一样

1.4、编译ko的方法

1.4.1、整编内核：以整个内核去编译该文件

1.4.2、单编ko：内核源码为基础编译一个外部模块（推荐，速度快）

理论参考：如何编译linux驱动ko - 知乎 (zhihu.com)

2、内核模块模型说明

1、驱动和一般应用程序的执行方式很大不同

  • 一般应用由main函数开始执行，流程基本由程序自身控制
  • 驱动程序没有main函数，由回调方式驱动运行

2、回调方式

先向内核注册函数，然后应用程序触发这些函数的执行（例如：驱动程序在初始化时，向内核注册处理某个设备写操作的函数。当应用程序使用write系统调用写该设备时，内核就会调用注册的上述函数）

3、内核模型常见的回调函数举例

  1. DriverInitialize

    　驱动初始化函数，通过宏静态注册；

    　insmod PrintModule.ko，安装驱动并触发该函数，通常会创建设备对象；

  2. DriverUninitialize

    　驱动销毁函数，通过宏静态注册；

    　$ rmmod PrintModule，卸载驱动并触发该函数；

  3. DriverOpen

    　打开设备函数，动态注册；

    　应用调用open函数打开设备对象时，会触发该函数；

  4. DriverRead

    　读设备函数，动态注册；

    　应用调用read函数读设备时，会触发该函数；

  5. DriverWrite

    　写设备函数，动态注册；

    　应用调用write函数写设备时，会触发该函数；

  6. DriverIOControl

    　设备控制函数，动态注册；

    　应用调用ioctl函数操作设备时，会触发该函数；

  7. DriverMMap

　　设备内存映射函数，动态注册；

　　应用调用mmap函数时，会触发该函数；

4、单个源文件

demo_hello.c驱动源程序：

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#include <linux/kernel.h> /*Needed by all modules*/
#include <linux/module.h> /*Needed for KERN_* */
#include <linux/init.h> /* Needed for the macros */

MODULE_LICENSE("GPL");

static int year=2024;

static int hello_init(void)
{
  printk(KERN_WARNING "Hello kernel, it's %d!\n",year); //加载成功显示的内容
  return 0;
}


static void hello_exit(void)
{
  printk("Bye, kernel!\n");  //删除成功显示的内容
}

/* main module function*/
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
4.1、Makefile编写：

1、文件名一定要是Makefile

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.PHONY:    all  clean

#指定内核所在目录
KERNELDIR   :=   /lib/modules/$(shell uname -r)/build
#指定源码所在位置
PWD   :=   $(shell pwd)
#指定编译工具
CROSS_ARCH := /usr/local/arm/gcc-linaro-5.3.1-2016.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc
# 指定要编译的模块对象文件
obj-m   +=   hello.o
# 目标 'all': 编译模块
#“M=”参数的作用是以内核源码为基础编译一个外部模块。命令中“M=DIR”，程序会自动跳转到所指定的PWD目录中查找模块源码，编译生成ko文件。
all: 
	$(MAKE) $(CROSS_ARCH) -C  $(KERNELDIR)   M=$(PWD)   modules 

#C make进入linux源码所在文件夹，从而获得内核的顶层Makefile，从而利用kbuild进行外部模块的编译
#M make在执行目标前返回到模块源代码所在文件夹
#modules目标将会编译所有包含在obj-m变量下的module.o文件

# 目标 'clean': 清理构建生成的文件
clean: 
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

2、在当前源文件所在目录下执行以下编译命令

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#生成构建文件
make  
#在内核中加载hello模块文件(执行)
sudo insmod ./hello.ko

#删除ko驱动模块文件
sudo rmmod ./hello.ko

3、验证方式一：输入以下命令查看程序执行结果（进入kern.log中查看程序运行的结果）

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#进入目标日志文件目录
cd /var/log
#直接在命令行打印kern.log文件中的内容
tail /var/log/kern.log
示例图片

4、验证方式二：同时输入，查看该驱动的加载情况

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lsmod
示例图片

实例参考链接：，头文件不存在等问题的解决方法 - NeroHwang - 博客园 (cnblogs.com)

5、多个源文件

test.c驱动源程序：

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// test.c
// --------------------------------

#include "test.h"

void test(void)
{
	printk("hello world!\n");
	return;
}

test.h程序：

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// test.h
// --------------------------------

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

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("z_mss");

void test(void);

main.c驱动源程序：

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// main.c
// --------------------------------

#include "test.h"

static int hello_init(void)
{
	printk("hello init!\n");  //加载成功显示的内容
	test();
	return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
	printk("hello exit!\n");  //删除成功显示的内容
	return;
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
5.1、Makefile编写：
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.PHONY:    all  clean

MODULE_NAME := hello

#指定内核所在目录
KERNELDIR   :=   /lib/modules/$(shell uname -r)/build
#指定源码所在位置
PWD   :=   $(shell pwd)
#指定编译工具
CROSS_ARCH := /usr/local/arm/gcc-linaro-5.3.1-2016.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc

# 指定要编译的模块对象文件
obj-m += $(MODULE_NAME).o
$(MODULE_NAME)-objs := main.o test.o

# 目标 'all': 编译模块
#“M=”参数的作用是以内核源码为基础编译一个外部模块。命令中“M=DIR”，程序会自动跳转到所指定的PWD目录中查找模块源码，编译生成ko文件。
all: 
	$(MAKE) $(CROSS_ARCH) -C  $(KERNELDIR)   M=$(PWD)   modules 

# 目标 'clean': 清理构建生成的文件
clean: 
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

验证方式一：

示例图片

6、内核模块驱动调试方式

通过以下指令，将程序中printk打印的信息输出到log.txt文件中

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dmesg >log.txt