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ch8: 裝置驅動程式的基本知識

小弟不是電類的,若以下筆記有錯誤歡迎任何指教,謝謝。

環境

ubuntuDistributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 16.04.1 LTS
Release:	16.04
Codename:	xenial
kernel version:4.9.0-999-generic

可動態載入模組
裝置驅動程式架構
裝置驅動程式範例
建構與安裝驅動程式模組
載入模組
模組參數
insmod
lsmod
modprobe
depmod
rmmod
modinfo
驅動程式的檔案系統操作函式
裝置節點與mknod
整合為一體

驅動裝置的基本概念

裝置驅動程式是為了隱藏硬體的複雜性和多變性,幫助使用者能夠簡單的呼叫函式即能完成複雜的工作，並和使用者的程式隔離,並免直接存取核心資料結構駭硬體裝置。

在本章裝置驅動程式(device driver)、可動態載入模組(loadable module)、可動態載入核心模組(loadable kernel device,LKM)、模組(module),通通都是指核心裝置驅動模組(kernel device driver module),因為好像沒有統一的術語。

可動態載入模組

linux提供界面方便使用者在開機後動態的移除或加入模組到核心中,當核心完成啟動後,開始安裝動態組(loadable module)，或是透過script安裝模組,當模組需要使用時,才要求載入模組,那麼動態載入模組有什麼好處呢?

可以任意將組插入或移除正在運行的裝置
可以直接更新模組,不須重新啟動
嵌入式裝置的容量有限,可以將模組放在其他除存裝置中

當然我們也可以透過重新編譯核心將驅動裝置直接編譯進核心,或是透過Chapter 6 : User Space Initialization將需要的模組和載入模組的script放進Initial RAM Disk這樣就可以直接在開機時啟動模組。

裝置驅動程式架構

簡略分為兩類 |裝置|字元裝置(character devices)|區塊裝置(block devices)| |:-------|:-------------------------|:--------------------| |讀寫方式|serial|以block為單位,進行讀寫| |舉例|keyboard,arduino|硬碟,隨身碟|

裝置驅動程式範例

project tree:

hello.c

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

static int __init hello_init(void) //初始化
{
    printk(KERN_INFO "Hello world!");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void) //還原初始化
{
    printk(KERN_INFO "bye bye world");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_AUTHOR("splasky");
MODULE_DESCRIPTION("Hello world example!");
MODULE_LICENSE("GPL");

接下來我們要將寫好的模組加入到kernel中,步驟如下

下載linux kernel source code

wget wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.8.13.tar.xz
tar Jxvf linux-4.8.13
cd linux 4.8.13

進入.../driver/char 並建立hello directory，這個資料夾就是我們等等要將我們寫的模組source code放置的位置

cd drivers/char
mkdir hello
cp hello.c .../drivers/char/hello

在hello中新增編譯hello模組的makefile

splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/linux-4.8.13] $ cat drivers/char/hello/Makefile 
obj-$(CONFIG_HELLO) +=hello.o

在核心組態設定檔中加入選單表示hello模組，可以指定是否內建或是可動態載入核心模組

splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/linux-4.8.13] $ cat drivers/char/Kconfig |head -n 20
#
# Character device configuration
#

menu "Character devices"

source "drivers/tty/Kconfig"

config HELLO
    tristate "Enable Hello"
	default m
	help
      Example Hello module

修改完後就可以在menuconfig看見核心組態檔(Kconfig)的編譯選項

修改.../drivers/char/Makefile,決定建構時要不要包含此目錄

splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/linux-4.8.13] $ cat drivers/char/Makefile 
#
# Makefile for the kernel character device drivers.
#

obj-y				+= mem.o random.o
...
obj-$(CONFIG_HELLO) 		+= hello/

到這邊修改完後我們就可以開始建構驅動程式模組了!

建構與安裝驅動程式模組

splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/linux-4.8.13] $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- defconfig
*** Default configuration is based on 'multi_v7_defconfig'
#
# configuration written to .config
#
splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/linux-4.8.13] $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- modules
...compiling...
splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/linux-4.8.13] $ ls drivers/char/hello/
hello.c  hello.ko  hello.mod.c  hello.mod.o  hello.o  Makefile  modules.order  Module.symvers

hello.ko模組就是我們的模組

不知道有沒有其他方法可以直接上傳模組到qemu虛擬機裡,或是直接透過qemu掛載模組,小弟這邊是透過NFS掛載於qemu，想知道一般大家都是怎麼做的? 如何掛載NFS可以參考這裡

載入模組

接下來我們嘗試在qemu上掛載我們編譯好的hello.ko

首先先更改console的級別才能將log的訊息列印到console上

$ cat /proc/sys/kernel/printk
4 4 1 7
$ cat /proc/sys/kernel/printk
7	4	1	7

更詳習的規則可以參考這裡

接著掛載module

$ cp mnt/hello.ko /lib/modules/4.8.13/kernel/
$ depmod
$ modprobe hello
Hello world!$

就可以發現init的message列印於當前console下移除已掛載的module也很簡單

modprobe -r hello

模組參數

現在讓我們為模組增加參數,讓其可以透過insmod輸入模組參數

splasky@school->[~/workspace/module] (master) 166h10m $ cat src/hello2.c

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

static int debug_enable = 0; //宣告靜態變數debug_enable
module_param(debug_enable, int, 0);
MODULE_PARM_DESC(debug_enable, "Enable module debug mode.");

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "debug mode is %s\n", debug_enable ? "enable" : "disable");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "bye bye world\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_AUTHOR("splasky");
MODULE_DESCRIPTION("Hello world example!");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_param定義於.../include/linux/moduleparam.h中,由modules.h引入,作用是將模組參數向核心模組子系統做註冊 MODULE_PARM_DESC向核心註冊參數說明的字串接著讓我們看看如何在載入模組時使用引數

splasky@school->[~/workspace/module] (master) 166h26m $ sudo insmod src/hello2.ko debug_enable=1
splasky@school->[~/workspace/module] (master) 166h27m $ dmesg |tail -n 2
[451967.837106] bye bye world
[451972.059004] debug mode is enable

也可以直接引入

splasky@school->[~/workspace/module] (master) 166h28m $ sudo insmod src/hello2.ko
splasky@school->[~/workspace/module] (master) 166h28m $ dmesg |tail -n 2
[452079.503340] bye bye world
[452085.328312] debug mode is disable

模組工具

模組工具在前一小節已經介紹過,如果你想要更詳細的說明請參考manual

insmod

insmod 接收一個模組的==絕對路徑==,並將模組載入核心

sudo insmod src/hello2.ko

lsmod

將載入到核新的模組清單印出

splasky@school->[~/workspace/module] (master) 166h28m $ sudo lsmod
[sudo] password for splasky: 
Module                  Size  Used by
hello2                 16384  0
cdc_acm                36864  0
btrfs                 987136  0
ufs                    73728  0
gf128mul               16384  1 lrw
...

最右邊的欄位Uesd by表示該模組正在使用中,並列出相依性

modprobe

modprobe可以幫我們解決模組間相依的問題,舉例來說上例的gf128mul需要lrw模組才能使用,modprobe能幫我解決這個問題,並以正確的順序載入。

modprobe gf128mul

會將lrw與gf128mul都載入

modprobe -r gf128mul

則會將兩個模組都移除 :::info 使用modeprobe載入module時要先將module複製至/lib/modules/$(uname -r)/kernel 下 :::

depmod

modprobe必須依賴modules.dep來知道模組間的相依關係,而depmod負責為我們產生這個檔案,這個檔案內含一份核心建構系統有啟用的模組清單。這個檔案放至於/lib/modules/4.4.0-($uname -r)/modules.dep 下

cat /lib/modules/4.4.0-51-generic/modules.dep

格式為 [模組]:[關聯模組]

rmmod

移除核心中的模組,不需要路徑,不會移除相依的模組

rmmod hello2

modinfo

檢視module的詳細資訊

splasky@school->[~/workspace/module] (master) 167h38m $ modinfo hello2 
filename:       /lib/modules/4.4.0-51-generic/kernel/hello2.ko
license:        GPL
description:    Hello world example!
author:         splasky
srcversion:     CE729C455AA625EF69A6DDB
depends:        
vermagic:       4.4.0-51-generic SMP mod_unload modversions 
parm:           debug_enable:Enable module debug mode. (int)

與驅動程式溝通

接下來我們將介紹如何由module提供介面函式給user space application

驅動程式的檔案系統操作函式

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

#define DEVICE_NAME "hello3"
static int debug_enable = 0;
module_param(debug_enable, int, 0);
MODULE_PARM_DESC(debug_enable, "Enable module debug mode.");

struct file_operations hello_fops;
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("Hello open: successful\n");
    return 0;
}

static int hello_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("Hello release: successful\n");
    return 0;
}

static ssize_t hello_read(struct file *file, char *buf, size_t count, loff_t *ptr)
{
    printk("Hello read: returning zero bytes\n");
    return 0;
}

static ssize_t hello_write(struct file *file, const char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk("Hello write: accepting zero bytes\n");
    return 0;
}

static long hello_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    printk("Hello ioctl:cmd=%ud, arg=%lu\n", cmd, arg);
    return 0;
}

static int __init hello_init(void)
{
    int ret=0;
    printk(KERN_INFO "debug mode is %s\n", debug_enable ? "enable" : "disable");

    ret = register_chrdev(234, DEVICE_NAME, &hello_fops);

    if (ret < 0)
    {
        printk(KERN_ALERT"ERROR registering hello device\n");
        goto hello_fail;
    }

    printk(KERN_INFO "Hello module registered successfully!\n");

    /* init process here */


    return 0;
hello_fail:
    return ret;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello exit\n");
}

/* 透過建立一個file operation 來和character裝製做connect */
struct file_operations hello_fops =
{
owner:
    THIS_MODULE,
read:
    hello_read,
write:
    hello_write,
unlocked_ioctl:
    hello_ioctl,
open:
    hello_open,
release:
    hello_release,
};

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_AUTHOR("splasky");
MODULE_DESCRIPTION("Hello world example!");
MODULE_LICENSE("GPL");

裝置節點與mknod

裝置節點是一種特殊的檔案類型,linux用這種檔案來代表裝置,幾乎所有linux distribution都將裝置節點放在/dev下,我們會透過mknod產生裝置節點。

mknod /dev/hello3 c 234 0

mknod [裝置節點位置] [檔案類型] [主編號] [次編號] 我們透過裝置節點來跟已安裝的驅動程式做銜接，當程式透過open系統呼叫時,核心會透過主編號(此範例中為234)將驅動程式和裝置節點做連接，作業系統並不理會次編號，會把次編號直接傳給驅動裝置，讓一個驅動程式可以處理多個子裝置。 :::info 裝置節點一般是透過udev產生,後面章節會介紹到，另外本章的範例是透過手動直接把裝置主編號直接指定在source code中,這樣做並不好,應該透過kernel指定一個給驅動程式，詳細作法Linux Device Drivers的第三章有說明到。 :::

還要再研究

整合為一體

現在我們創立一個use-hello3.c 來運用我們寫的驅動程式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* our file descriptor */
    int fd=0,rc=0;
    
    char *rd_buf[16];
    printf("%s: entered\n",argv[0]);

    /* open device */
    fd = open("/dev/hello3",O_RDWR);
    if(fd==-1){
        perror("open failed");
        rc=fd;
        exit(-1);
    }

    printf("open successful!\n");

    /* Issue a read */
    rc=read(fd,rd_buf,0);
    if(rc==-1){
        perror("read failed");
        close(fd);
        exit(-1);
    }
    printf("read:returning %d bytes!\n",rc);
    close(fd);
    return 0;
}

最後執行我們的use-hello

splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/kernel_module/module] (master) 237h25m $ ls -l /dev/hello*
ls: cannot access '/dev/hello*': No such file or directory
splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/kernel_module/module] (master) 237h26m $ sudo mknod /dev/hello3 c 234 0
[sudo] password for splasky: 
splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/kernel_module/module] (master) 237h26m $ sudo insmod src/hello3.ko 
splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/kernel_module/module] (master) 237h27m $ sudo ./use-hello 
./use-hello: entered
open successful!
read:returning 0 bytes!
splasky@splasky-XPS13→ [~/workspace/kernel_module/module] (master) 237h29m $ dmesg | tail -n 8
[  193.437511] hello3: loading out-of-tree module taints kernel.
[  193.437724] hello3: module verification failed: signature and/or required key missing - tainting kernel
[  193.438665] debug mode is disable
[  193.438678] Hello module registered successfully!
[  204.570530] Hello open: successful
[  204.570534] Hello read: returning zero bytes
[  204.570537] Hello release: successful
[  300.054926] mce: [Hardware Error]: Machine check events logged

GPL

https://www.gnu.org/licenses/quick-guide-gplv3.html

作者推薦的參考書目

Linux Device Drivers:臺灣:Linux 驅動程式, 3/e (Linux Device Drivers, 3/e) Essential Linux Device Drivers有中文版 Filesystem Hierarchy Standard

參考資料

Loda's blog The Linux Kernel Module Programming Guide 開機流程、模組管理與 Loader

本參考資料中也含有模組工具的使用

Linux Modules（1.1）module parameters

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