Helloworld 驅動模組載入

2022 年 5 月 21 日
筆記
linux, Linux內核模組, 內核

介紹

本文引用《linux設備驅動開發》書中部分解釋，記錄開篇第一章helloworld程式

以下內容需要掌握如下基礎資訊linux模組概念、鏈接編譯、c語言基礎

內容

helloworld.c

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

static int __init hellowolrd_init(void) {
    pr_info("Hello world!\n");
    return 0;
}

static void __exit hellowolrd_exit(void) {
    pr_info("End of the world\n");
}

module_init(hellowolrd_init);
module_exit(hellowolrd_exit);
MODULE_AUTHOR("John Madieu <[email protected]>");
MODULE_LICENSE("GPL");

運行make命令之後,它會生成兩個模組

After running make command, there will be two modules:

helloworld.ko
helloworld-params.ko

第一個模組是基本helloworld驅動程式，第二個也是相同的，但是它接收一些參數，並在內核調試消息中列印這些參數，載入第一個模組後，將在內核中添加兩個調試消息，

安裝模組

# insmod ./helloworld.ko

卸載模組

# rmmod -f helloworld

內核消息

#dmesg
[...]
[38535.487568] Hello world!
[38542.391099] End of the world

對於第二個模組，可以使用下面方式載入

# insmod  ./helloworld-params.ko

如果未提供任何參數，將使用默認值：

$ dmesg
[...]
[37858.595126] Hello world with parameters!
[37858.595129] The *mystr* parameter: hello
[37858.595130] The *myint* parameter: 1
[37858.595131] The *myarr* parameter: 0, 1, 2
[37887.232643] End of the world

我們傳入一些參數之後，將列印出如下消息

# insmod  ./helloworld-params.ko  mystr="packtpub" myint=255 myarr=23,4,7
# dmesg
[...]
[37892.417968] Hello world with parameters!
[37892.417970] The *mystr* parameter: packtpub
[37892.417971] The *myint* parameter: 255
[37892.417972] The *myarr* parameter: 23, 4, 7
[37895.222808] End of the world

模組的入點和出點

內核驅動程式都有入點和出點：前者對應於模組載入時調用的函數（modprobe和insmod，該內容在書中有介紹），後者是模組卸載時執行的函數（在執行rmmod和modprobe -r 時，該內容書中有介紹）。

main()函數使用C/C++編寫的每個用戶空間程式的入點，當這個函數返回時，程式將退出。而對於內核模組，情況就不一樣了：入點可以隨意命名，它也不像用戶空間程式那樣在main()返回是退出，其出點在另一個函數中定義，開發人員要做的就是通知內核把哪些函數作為入點或出點來執行。實際上，唯一必須要做的是把它們作為參數提供為module_init()和module_exit()宏，將它們標識為相應的載入和刪除函數。

綜上所述，module_init()用於聲明模組載入（使用insmod或modprobe）時應該調用的函數。初始化函數中要完成的操作是定義模組的行為。module_exit()用於聲明模組卸載（使用rmmod）時應該調用的函數。

程式碼中`init`和`exit`屬性

__init和__exit實際上是在include/linux/init.h中定義的內核宏，如下所示：

#define __init__section(.init.text)
#define __exir__section(.exit.text)

ELF目標文件

編譯文件工作方式，ELF目標文件有不同的命名部分組成，其中一部分是必需的，它們稱為ELF標準的基礎，但也可以根據自己的需要構建任一部分，並由特殊程式使用，內核就是這樣做的。如上所屬的內核宏的工作方式，如需要了解它的原理ELF目標文件的可執行和可鏈接格式說明需要了解

可以通過下列命令列印出指定內核模組module.ko的不同組成部分

~/.../LinuxDeviceDriversDevelopment_Code/Chapter02 >>> objdump -h helloworld.ko                                            

helloworld.ko：     文件格式 elf64-x86-64

節：
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .text         00000000  0000000000000000  0000000000000000  00000040  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .init.text    00000015  0000000000000000  0000000000000000  00000040  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
  2 .exit.text    0000000c  0000000000000000  0000000000000000  00000055  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
  3 .rodata.str1.1 00000024  0000000000000000  0000000000000000  00000061  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 __mcount_loc  00000008  0000000000000000  0000000000000000  00000085  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, DATA
  5 .rodata       0000008c  0000000000000000  0000000000000000  000000a0  2**5
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, DATA
  6 .rodata.str1.8 00000058  0000000000000000  0000000000000000  00000130  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  7 .modinfo      000000af  0000000000000000  0000000000000000  00000188  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  8 .orc_unwind   0000001e  0000000000000000  0000000000000000  00000237  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  9 .orc_unwind_ip 00000014  0000000000000000  0000000000000000  00000255  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, DATA
 10 .note.gnu.property 00000030  0000000000000000  0000000000000000  00000270  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 11 .note.gnu.build-id 00000024  0000000000000000  0000000000000000  000002a0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 12 .note.Linux   00000030  0000000000000000  0000000000000000  000002c4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 13 .data         00000000  0000000000000000  0000000000000000  000002f4  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 14 .printk_index 00000010  0000000000000000  0000000000000000  000002f8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, DATA
 15 .gnu.linkonce.this_module 000003c0  0000000000000000  0000000000000000  00000340  2**6
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, DATA, LINK_ONCE_DISCARD
 16 .bss          00000000  0000000000000000  0000000000000000  00000700  2**0
                  ALLOC
 17 .debug_info   000038ec  0000000000000000  0000000000000000  00000700  2**0
                  CONTENTS, RELOC, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 18 .debug_abbrev 00000609  0000000000000000  0000000000000000  00003fec  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 19 .debug_aranges 00000060  0000000000000000  0000000000000000  000045f5  2**0
                  CONTENTS, RELOC, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 20 .debug_ranges 00000030  0000000000000000  0000000000000000  00004655  2**0
                  CONTENTS, RELOC, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 21 .debug_line   000005a7  0000000000000000  0000000000000000  00004685  2**0
                  CONTENTS, RELOC, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 22 .debug_str    00003206  0000000000000000  0000000000000000  00004c2c  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 23 .comment      00000026  0000000000000000  0000000000000000  00007e32  2**0
                  CONTENTS, READONLY
 24 .note.GNU-stack 00000000  0000000000000000  0000000000000000  00007e58  2**0
                  CONTENTS, READONLY
 25 .debug_frame  00000048  0000000000000000  0000000000000000  00007e58  2**3
                  CONTENTS, RELOC, READONLY, DEBUGGING, OCTETS
 26 .BTF          00000050  0000000000000000  0000000000000000  00007ea0  2**0
                  CONTENTS, READONLY

如上只有少部分屬於ELF標準

.text: 包含程式程式碼，也稱為程式碼。
.data: 包含初始化數據，也稱為數據段。
.rodata: 用於只讀數據。
.comment: 注釋。
未初始化化的數據段，也稱為有符號開始的塊（block started by symbol,bss）。

ELF鏈接器

對於程式碼程式中內核添加的其他部分，討論為時過早，我們首先要討論鏈接器是如何將目標程式文件排列，並將相關.init.text鏈接到程式中hellowolrd_init及.exit.text鏈接到程式中hellowolrd_exit

要解釋這一行為，首先我們要了解一個叫做鏈接器（Linux系統上的ld）程式，該程式負責將符號（數據、程式碼等）放置到生成的二進位文件中的適當部分，以便在程式執行時可以被載入器處理。二進位文件中的這些部分可以自定義、更改它們的默認位置，甚至可以通過提供鏈接器腳本[稱為鏈接器定義文件（LDF）或鏈接器定義腳本(LDS)]來添加其他部分。要實現這些操作只需通過編譯器指令把符號的位置告知鏈接器即可，GUN C編譯器為此提供了一些屬性。Linux內核提供了一個自定義LDS文件，它位於arch/<arch>/kernel/vmlinux.lds,.s中。對於要放置在內核LDS文件所映射的專用部分中的符號，使用__init和__exit進行標記。

總之，__init和__exit是Linux指令（實際上是宏），他們使用C編譯器屬性指定符號的位置。這些指令指示編譯器將以它們為前綴的程式碼分別放在.init.text和.exit.text部分，雖然內核可以訪問不同的對象部分。

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