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1.内核模块

news 2025/8/4 16:24:16

1. 内核模块概念

a.什么是内核模块

内核模块是操作系统中动态加载到内核的代码组件，用于扩展内核功能而无需重新编译或重启系统。

1. 定义与作用

  • 动态扩展：内核模块允许在运行时添加或移除功能，如设备驱动、文件系统支持或网络协议。
  • 无需重启：加载模块后立即生效，避免系统停机，提升灵活性。

2. 运行环境

  • 内核空间：模块在内核态运行，直接访问硬件和核心资源，与用户程序隔离（用户态通过系统调用交互）。
  • 高权限操作：可执行底层操作（如中断处理、内存管理），但错误可能导致系统崩溃。

3. 可加载模块

可加载模块（Loadable Kernel Module, LKM）是操作系统内核的一种动态扩展机制，允许在不重新编译或重启系统的前提下，将代码（如设备驱动、文件系统、网络协议等）按需加载到内核中运行。

4. 总结

内核模块是增强操作系统功能的动态组件，通过灵活加载机制支持硬件扩展和系统优化。

b. 宏&微&混合 内核

在这里插入图片描述

1. 宏内核

核心理念：

  • 高度集成：所有核心功能（进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等）均运行在内核空间，共享同一地址空间，通过直接函数调用交互
  • 高性能：服务调用无需跨进程通信（IPC），延迟极低（纳秒级），适合实时性要求高的场景
  • 模块化有限：虽然支持动态加载内核模块（LKM），但整体代码紧密耦合，扩展性较差

典型应用：Linux、早期VxWorks

2. 微内核

核心理念：

  • 最小化内核：仅保留核心功能（进程调度、内存管理、IPC），其他服务（文件系统、驱动等）作为用户态进程运行
  • 消息传递机制：服务间通过IPC通信，隔离性强但可能引入性能开销
  • 模块化设计：服务可独立加载/卸载，提升系统灵活性和安全性

典型应用：QNX、HarmonyOS

3. 混合内核

核心理念：

  • 折中设计：结合宏内核的高效性与微内核的隔离性，部分核心服务运行于内核态，非关键服务移至用户态
  • 性能与安全平衡：例如将文件系统、网络协议栈保留在内核空间，而驱动或部分服务以用户态进程运行

典型应用：Windows NT、macOS

2.内核模块构成

a. 内核模块构成

1）核心

a. 头文件

内核专用头文件主要位于kernel/include/linux/*

和CPU架构相关kernel/arch/$(ARCH)/include/*

  • linux/module.h
    • 提供模块相关的API接口
  • linux/init.h
    • 初始化，清理相关接口
b. 加载/卸载宏

宏所在头文件是linux/module.h；

  • #define module_init(x) __initcall(x);

    • 指定模块函数入口，主要完成模块初始化工作
    • 模块入口函数：int __init func_init(void);
      • 功能：模块被加载动内核时，入口函数自动被内核执行，模块入口函数使用__init声明
      • 函数参数：void
      • 返回值类型：int一般返回 errno，可根据perror()进行解析
      • 使用：module_init(func_init)

  • #define module_exit(x) __exitcall(x);

    • 指定模块卸载函数入口，主要完成模块资源释放和模块的卸载
    • 模块退出函数：void __exit func_exit(void);
      • 功能：模块在退出时自动调用，退出函数使用__exit声明
      • 函数参数：void
      • 返回值类型：void
      • 使用：module_exit(func_exit)
c. 许可声明

宏所在头文件是linux/module.h；

  • #define MODULE_LICENSE(_license) MODULE_FILE MODULE_INFO(license, _license)
    • 功能：标注模块许可类型
    • 宏参数：开源许可协议类型的字符串
    • 使用：MODULE_LICENSE("GPL");
d. 最简内核结构

simplemod.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>static int __init simplemod_init(void) {return 0;
}static void __exit simplemod_exit(void) {
}module_init(simplemod_init);    // 模块初始化函数
module_exit(simplemod_exit);    //  模块退出函数MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile

ARCH=arm64  # 架构
CROSS_COMPILE=aarch64-none-linux-gnu- # 交叉编译工具
obj-m += simplemod.o  # 模块
KDIR := /project/mycode/rockchip-sdk/kernel # 内核源码路径.PTHONY:all clean# 编译
all:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) modules
# 清除
clean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) clean

2）模块描述信息

宏所在头文件是linux/module.h；

描述信息会通过modinfo 命令显示，帮助用户了解模块的用途。

a. 模块作者

#define MODULE_AUTHOR(_author) MODULE_INFO(author, _author)

  • 功能：声明内核模块的作者
  • 宏参数类型：字符串
  • 使用：MODULE_AUTHOR("ah@email");
b. 描述信息

#define MODULE_DESCRIPTION(_description) MODULE_INFO(description, _description)

  • 功能：提供模块的简要说明，方便其他开发者或用户理解模块的用途
  • 宏参数类型：字符串
  • 使用：MODULE_DESCRIPTION("This is description");
c. 模块起别名

#define MODULE_ALIAS(_alias) MODULE_INFO(alias, _alias)

  • 功能：为模块定义一个别名
  • 宏参数类型：字符串
  • 使用：MODULE_ALIAS("zhf");
d. 模块依赖关系

#define MODULE_SOFTDEP(_softdep) MODULE_INFO(softdep, _softdep)

  • 功能：告知模块依赖关系
  • 宏参数类型：字符串
  • 使用：MODULE_SOFTDEP("pre: module-foo post: module-baz");
e. 模块版本号

#define MODULE_VERSION(_version) MODULE_INFO(version, _version)

  • 功能：定义模块的版本
  • 宏参数类型：字符串
  • 使用：MODULE_VERSION("1.0");

b. 模块相关操作

1）如何编译

a. 源码外-编译成模块

编译Linux内核模块的makefile

ARCH=arm64  # 架构
CROSS_COMPILE=aarch64-none-linux-gnu- # 交叉编译工具
obj-m += simplemod.o  # 模块
KDIR := /project/mycode/rockchip-sdk/kernel # 内核源码路径.PTHONY:all clean# 编译
all:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) modules
# 清除
clean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) clean

核心内容介绍(编译内核模块的最小make指令)：

  • obj-<X>:编译过程中，程序会被编译为xxx.o文件，在根据<X>可选参数将xxx.o文件构建或链接成制定的文件。
    • obj-:指定某个文件或目录是构建过程中的一个中间目标
    • <X>:可取值y、m、n
      • m:栗子obj-m += xxx.o 将xxx.o文件构建成模块xxx.ko
      • y:栗子obj-y += xxx.o ，将xxx.o编译进内核
      • n:栗子obj-n += xxx.o
    • 另一种用法：obj-<X> += dir/ 接目录
  • $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURPWD) modules
  • $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURPWD) clean
    • MAKE:是一个特殊的宏变量、代表make本身；使用MAKE变量有几个好处：a.可移植性；b.递归调用；c.选项传递
    • -C $(KDIR): -C是change director，如含义-C $(KDIR)指向make跳转到KDIR目录下，KDIR是一个变量，记录路径，该路径一般写内核源码路径
    • M=$(CURDIR):M用于指定将编译的模块源码路径，CURDIR是makefile中的一个宏变量，不赋值则只想当前目录的绝对路径
    • modules:编译成xxx.ko模块
    • clean:清除由make生成的文件
b. 源码内-编译成模块

详细描述见Kconfig子系统

c. 编译进内核

详细描述见Kconfig子系统

2）操作指令

a. 加载：insmod

含义：加载模块

指令格式：insmod filename

b. 查看已加载模块：lsmod

含义：列出加载的内核模块

指令格式：lsmod

c. 查看模块信息：modinfo

含义：模块信息

指令格式：modinfo [options] filename [args]

参数 作用 示例
无参数 显示模块的所有元信息（作者、描述、许可证、依赖等） modinfo ext4
-a 显示模块作者信息（等价于 -F author） modinfo -a my_module
-d 显示模块描述（等价于 -F description） modinfo -d vboxdrv
-l 显示模块许可证（等价于 -F license） modinfo -l nvidia
-p 显示模块支持的参数（等价于 -F parm） modinfo -p e1000
-n 显示模块的文件路径 modinfo -n ext4
-0 使用 \0（空字符）分隔输出字段，便于脚本解析 modinfo -0 -F version my_module
-F <字段> 指定要显示的字段（支持 author, description, license, vermagic 等） modinfo -F version iwlwifi
-k <内核版本> 指定要查询的内核版本（需模块路径包含该版本） modinfo -k 5.15.0-86-generic /path/to/module.ko
--set-version <版本> 强制指定内核版本（覆盖自动检测） modinfo --set-version=5.15.0-86-generic my_module
d. 卸载：rmmod

含义：卸载模块

指令格式：rmmod [options] modulename ...

参数 作用 示例
无参数 直接卸载模块 rmmod modulename
-f 强制卸载模块 rmmod -f modulename
-w 等待模块使用计数归零后自动卸载 rmmod -w modulename
-a 移除所有未使用的模块 rmmod -a
-v 显示版本 rmmod -v
e. modprobe

http://www.lryc.cn/news/609325.html

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