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http://www.jb51.net/article/79960.htm

2016

內(nèi)核模塊管理
Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)以內(nèi)核模塊的形式出現(xiàn)，因此學(xué)會(huì)編寫Linux內(nèi)核模塊編程是學(xué)習(xí)linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的先決條件。

Linux內(nèi)核的整體結(jié)構(gòu)非常龐大，其包含的組件非常多。我們把需要的功能都編譯到linux內(nèi)核,以模塊方式擴(kuò)展內(nèi)核功能。

先來看下最簡(jiǎn)單的內(nèi)核模塊

頭文件init.h包含了宏_init和_exit，它們?cè)试S釋放內(nèi)核占用的內(nèi)存。
module_init()和hello_exit()是模塊編程中最基本也是必須的兩個(gè)函數(shù)。
module_init()是驅(qū)動(dòng)程序初始化的入口點(diǎn)。
hello_exit是模塊的退出和清理函數(shù)。此處可以做所有終止該驅(qū)動(dòng)程序時(shí)相關(guān)的清理工作。

內(nèi)核模塊中用于輸出的函數(shù)式內(nèi)核空間的printk()而非用戶空間的printf(),printk()的用法和printf()相似，但前者可定義輸出級(jí)別。printk()可作為一種最基本的內(nèi)核調(diào)試手段

前者可以定義輸出級(jí)別,在 <內(nèi)核目錄>/include/linux/kernel.h中

未設(shè)定級(jí)別的，在<內(nèi)核目錄>/kernel/printk.c中定義

只有當(dāng)printk打印信息時(shí)的loglevel小于DEFAULT_CONSOLE_LOGLEVEL的值（優(yōu)先級(jí)高于console loglevel），這些信息才會(huì)被打印到console上。

模塊聲明與描述

•    在linux模塊中，我們可以使用
•    MODULE_LICENSE(license)   //定義模塊的license，一般為GPL，或相關(guān)公司的license
•    MODULE_AUTHOR             //模塊的作者
•    MODULE_DESCRIPTION        //對(duì)模塊程序的描述，string
•    MODULE_VERSION            //版本
•    MODULE_DEVICE_TABLE       //模塊程序所支持的設(shè)備，string
•    MODULE_ALIAS              //別名
•    MODULE_PARM(var,type)     //模塊參數(shù)

模塊編譯
首先看看Makefile文件：

build是編譯內(nèi)核模塊需要的Makefile的路徑，Ubuntu下是/lib/modules/2.6.31-14-generic/build

如果是Arm平臺(tái)的開發(fā)板,則-C選項(xiàng)指定的位置(即內(nèi)核源代碼目錄),其中保存有內(nèi)核的頂層Makefile文件.

make -C $(KERNEL_BUILD) M=$(shell pwd) modules 編譯內(nèi)核模塊。-C 將工作目錄轉(zhuǎn)到KERNEL_BUILD，調(diào)用該目錄下的Makefile，并向這個(gè)Makefile傳遞參數(shù)M的值是$(shell pwd) modules。

M=選項(xiàng)讓該makefile在構(gòu)造modules目標(biāo)之前返回到模塊源代碼目錄。然后modules目標(biāo)指向obj-m變量中設(shè)定的模塊

執(zhí)行make命令開始編譯模塊,生成hello.ko，執(zhí)行make clean可清除編譯產(chǎn)生的文件。

1、添加模塊

2、查看模塊

   lsmod命令實(shí)際上讀取并分析/proc/modules文件，也可以cat /proc/modules文件

   在模塊所在目錄下執(zhí)行

    modinfo  hello.ko可以查看模塊信息,如下所示

3、刪除模塊

模塊加載函數(shù)

Linux內(nèi)核模塊加載函數(shù)一般以__init標(biāo)識(shí)聲明，典型的模塊加載函數(shù)的形式如下：

    模塊加載函數(shù)必須以“module_init(函數(shù)名)”的形式指定。它返回整形值，若初始化成功，應(yīng)返回0。而在初始化失敗時(shí)。應(yīng)該返回錯(cuò)誤編碼。

    在linux內(nèi)核里，錯(cuò)誤編碼是一個(gè)負(fù)值，在<linux/errno.h>中定義，包含-ENODEV、-ENOMEM之類的符號(hào)值。返回相應(yīng)的錯(cuò)誤編碼是種非常好的習(xí)慣，因?yàn)橹挥羞@樣，用戶程序才可以利用perror等方法把它們轉(zhuǎn)換成有意義的錯(cuò)誤信息字符串。

    在linux2.6內(nèi)核中，所有標(biāo)識(shí)為__init的函數(shù)在連接的時(shí)候都會(huì)放在.init.text（這是module_init宏在目標(biāo)代碼中增加的一個(gè)特殊區(qū)段，用于說明內(nèi)核初始化函數(shù)的所在位置）這個(gè)區(qū)段中，此外，所有的__init函數(shù)在區(qū)段.initcall.init中還保存著一份函數(shù)指針，在初始化時(shí)內(nèi)核會(huì)通過這些函數(shù)指針調(diào)用這些__init函數(shù)，并在初始化完成后釋放init區(qū)段（包括.init.text和.initcall.init等）。所以大家應(yīng)注意不要在結(jié)束初始化后仍要使用的函數(shù)上使用這個(gè)標(biāo)記。

模塊卸載函數(shù)

Linux內(nèi)核卸載模塊函數(shù)一般以__exit標(biāo)識(shí)聲明，典型的模塊卸載函數(shù)的形式如下：

模塊卸載函數(shù)在模塊卸載時(shí)被調(diào)用，不返回任何值，必須以”module_exit(函數(shù)名)”的形式來指定
與__init一樣__exit也可以使對(duì)應(yīng)函數(shù)在運(yùn)行完成后自動(dòng)回收內(nèi)存。

一般來說，模塊卸載函數(shù)完成與模塊加載函數(shù)相反的功能：
如果模塊加載函數(shù)注冊(cè)了 XXX模塊，則模塊卸載函數(shù)應(yīng)注銷XXX。
若模塊加載函數(shù)動(dòng)體申請(qǐng)了內(nèi)存，則模塊卸載函數(shù)應(yīng)釋放該內(nèi)存。
若模塊加載函數(shù)申請(qǐng)了硬件資源，則模塊卸載函數(shù)應(yīng)釋放這些硬件資源。
若模塊加載函數(shù)開啟了硬件，則模塊卸載函數(shù)應(yīng)關(guān)閉硬件。

內(nèi)核時(shí)間管理
(1)內(nèi)核中的時(shí)間概念
    時(shí)間管理在linux內(nèi)核中占有非常重要的作用。
    相對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)而言，內(nèi)核中有大量函數(shù)是基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的。
    有些函數(shù)是周期執(zhí)行的，比如每10毫秒刷新一次屏幕；
    有些函數(shù)是推后一定時(shí)間執(zhí)行的，比如內(nèi)核在500毫秒后執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)。
    要區(qū)分：
    *絕對(duì)時(shí)間和相對(duì)時(shí)間
    *周期性產(chǎn)生的事件和推遲執(zhí)行的事件
    周期性事件是由系統(tǒng)系統(tǒng)定時(shí)器驅(qū)動(dòng)的
 
(2)HZ值
    內(nèi)核必須在硬件定時(shí)器的幫助下才能計(jì)算和管理時(shí)間。
    定時(shí)器產(chǎn)生中斷的頻率稱為節(jié)拍率(tick rate)。
    在內(nèi)核中指定了一個(gè)變量HZ，內(nèi)核初始化的時(shí)候會(huì)根據(jù)這個(gè)值確定定時(shí)器的節(jié)拍率。
    HZ定義在<asm/param.h>，在i386平臺(tái)上，目前采用的HZ值是1000。
    也就是時(shí)鐘中斷每秒發(fā)生1000次，周期為1毫秒。即：
    #define HZ 1000
 
    注意！HZ不是個(gè)固定不變的值，它是可以更改的，可以在內(nèi)核源代碼配置的時(shí)候輸入。
    不同的體系結(jié)構(gòu)其HZ值是不一樣的，比如arm就采用100。
    如果在驅(qū)動(dòng)中要使用系統(tǒng)的中斷頻率，直接使用HZ，而不要用100或1000
 
 
    a.理想的HZ值
        i386的HZ值一直采用100，直到2.5版后才改為1000。
        提高節(jié)拍率意味著時(shí)鐘中斷產(chǎn)生的更加頻繁，中斷處理程序也會(huì)更頻繁地執(zhí)行。
 
        帶來的好處有：
        *內(nèi)核定時(shí)器能夠以更高的頻率和更高的準(zhǔn)確度運(yùn)行
        *依賴定時(shí)器執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用，比如poll()和select()，運(yùn)行的精度更高
        *提高進(jìn)程搶占的準(zhǔn)確度
        (縮短了調(diào)度延時(shí)，如果進(jìn)程還剩2ms時(shí)間片，在10ms的調(diào)度周期下，進(jìn)程會(huì)多運(yùn)行8ms。
        由于耽誤了搶占，對(duì)于一些對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的任務(wù)會(huì)產(chǎn)生影響)
 
        壞處有：
        *節(jié)拍率要高，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)越重。
        中斷處理程序?qū)⒄加酶嗟奶幚砥鲿r(shí)間。
 
 (3)jiffies
    全局變量jiffies用于記錄系統(tǒng)啟動(dòng)以來產(chǎn)生的節(jié)拍的總數(shù)。
    啟動(dòng)時(shí)，jiffies初始化為0，此后每次時(shí)鐘中斷處理程序都會(huì)增加該變量的值。
    這樣，系統(tǒng)啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)間就是jiffies/HZ秒
 
    jiffies定義于<linux/jiffies.h>中：
    extern unsigned long volatile jiffies;
 
    jiffies變量總是為unsigned long型。
    因此在32位體系結(jié)構(gòu)上是32位，而在64位體系上是64位。
    對(duì)于32位的jiffies，如果HZ為1000，49.7天后會(huì)溢出。
    雖然溢出的情況不常見，但程序在檢測(cè)超時(shí)時(shí)仍然可能因?yàn)榛乩@而導(dǎo)致錯(cuò)誤。
    linux提供了4個(gè)宏來比較節(jié)拍計(jì)數(shù)，它們能正確地處理節(jié)拍計(jì)數(shù)回繞。 
 
 

    unknown通常是指jiffies，known是需要對(duì)比的值(常常是一個(gè)jiffies加減后計(jì)算出的相對(duì)值)
 
    例： 

     
    time_before可以理解為如果在超時(shí)(timeout)之前(before)完成
 
 
    *系統(tǒng)中還聲明了一個(gè)64位的值jiffies_64，在64位系統(tǒng)中jiffies_64和jiffies是一個(gè)值。
    可以通過get_jiffies_64()獲得這個(gè)值。
 
    *使用 

 
 (4)獲得當(dāng)前時(shí)間
    驅(qū)動(dòng)程序中一般不需要知道墻鐘時(shí)間(也就是年月日的時(shí)間)。但驅(qū)動(dòng)可能需要處理絕對(duì)時(shí)間。
    為此，內(nèi)核提供了兩個(gè)結(jié)構(gòu)體，都定義在<linux/time.h>： 

a.

    較老，但很流行。采用秒和毫秒值，保存了1970年1月1日0點(diǎn)以來的秒數(shù) 

b.

    較新，采用秒和納秒值保存時(shí)間。
 
    c.do_gettimeofday()
        該函數(shù)用通常的秒或微秒來填充一個(gè)指向struct timeval的指針變量，原型如下： 

    d.current_kernel_time()
        該函數(shù)可用于獲得timespec 
       

確定時(shí)間的延遲執(zhí)行 
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常需要將某些特定代碼延遲一段時(shí)間后執(zhí)行，通常是為了讓硬件能完成某些任務(wù)。
    長(zhǎng)于定時(shí)器周期(也稱為時(shí)鐘嘀嗒)的延遲可以通過使用系統(tǒng)時(shí)鐘完成，而非常短的延時(shí)則通過軟件循環(huán)的方式完成
     
 
(1)短延時(shí)
    對(duì)于那些最多幾十個(gè)毫秒的延遲，無法借助系統(tǒng)定時(shí)器。
    系統(tǒng)通過軟件循環(huán)提供了下面的延遲函數(shù)： 

 
    這三個(gè)延遲函數(shù)均是忙等待函數(shù)，在延遲過程中無法運(yùn)行其他任務(wù)。
 
(2)長(zhǎng)延時(shí)
    a.在延遲到期前讓出處理器 

        在等待期間可以讓出處理器，但系統(tǒng)無法進(jìn)入空閑模式(因?yàn)檫@個(gè)進(jìn)程始終在進(jìn)行調(diào)度)，不利于省電。
 
    b.超時(shí)函數(shù) 

 
    使用方式： 

    進(jìn)程經(jīng)過2秒后會(huì)被喚醒。如果不希望被用戶空間打斷，可以將進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為TASK_UNINTERRUPTIBLE。

(3)等待隊(duì)列
    使用等待隊(duì)列也可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延遲。
    在延遲期間，當(dāng)前進(jìn)程在等待隊(duì)列中睡眠。
    進(jìn)程在睡眠時(shí)，需要根據(jù)所等待的事件鏈接到某一個(gè)等待隊(duì)列。
 
    a.聲明等待隊(duì)列
        等待隊(duì)列實(shí)際上就是一個(gè)進(jìn)程鏈表，鏈表中包含了等待某個(gè)特定事件的所有進(jìn)程。 

 
        要想把進(jìn)程加入等待隊(duì)列，驅(qū)動(dòng)首先要在模塊中聲明一個(gè)等待隊(duì)列頭，并將它初始化。
 
        靜態(tài)初始化 
     

 
        動(dòng)態(tài)初始化 

 
    b.等待函數(shù)
        進(jìn)程通過調(diào)用下面函數(shù)可以在某個(gè)等待隊(duì)列中休眠固定的時(shí)間： 

        調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)后，進(jìn)程會(huì)在給定的等待隊(duì)列q上休眠，但會(huì)在超時(shí)(timeout)到期時(shí)返回。
        如果超時(shí)到期，則返回0，如果進(jìn)程被其他事件喚醒，則返回剩余的時(shí)間數(shù)。
        如果沒有等待條件，則將condition設(shè)為0
 
        使用方式： 

 
 
 
(4)內(nèi)核定時(shí)器
    還有一種將任務(wù)延遲執(zhí)行的方法是采用內(nèi)核定時(shí)器。
    與前面幾種延遲方法不同，內(nèi)核定時(shí)器并不會(huì)阻塞當(dāng)前進(jìn)程，
    啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)核定時(shí)器只是聲明了要在未來的某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，當(dāng)前進(jìn)程仍然繼續(xù)執(zhí)行。
    不要用定時(shí)器完成硬實(shí)時(shí)任務(wù)
 
    定時(shí)器由結(jié)構(gòu)timer_list表示，定義在<linux/timer.h> 

 
    內(nèi)核在<linux/timer.h>中提供了一系列管理定時(shí)器的接口。
 
    a.創(chuàng)建定時(shí)器 

 
    b.初始化定時(shí)器 

 
    c.定時(shí)器的執(zhí)行函數(shù)
        超時(shí)處理函數(shù)的原型如下： 

        可以利用data參數(shù)用一個(gè)處理函數(shù)處理多個(gè)定時(shí)器?？梢詫ata設(shè)為0
 
    d.激活定時(shí)器 

        定時(shí)器一旦激活就開始運(yùn)行。
 
    e.更改已激活的定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間 

        可以用于那些已經(jīng)初始化但還沒激活的定時(shí)器，
        如果調(diào)用時(shí)定時(shí)器未被激活則返回0，否則返回1。
        一旦mod_timer返回，定時(shí)器將被激活。
 
    f.刪除定時(shí)器 

        被激活或未被激活的定時(shí)器都可以使用，如果調(diào)用時(shí)定時(shí)器未被激活則返回0，否則返回1。
        不需要為已經(jīng)超時(shí)的定時(shí)器調(diào)用，它們被自動(dòng)刪除
 
    g.同步刪除 

    在smp系統(tǒng)中，確保返回時(shí)，所有的定時(shí)器處理函數(shù)都退出。不能在中斷上下文使用。 
   

 
不確定時(shí)間的延遲執(zhí)行
(1)什么是不確定時(shí)間的延遲
    前面介紹的是確定時(shí)間的延遲執(zhí)行，但在寫驅(qū)動(dòng)的過程中經(jīng)常遇到這種情況：
    用戶空間程序調(diào)用read函數(shù)從設(shè)備讀數(shù)據(jù)，但設(shè)備中當(dāng)前沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)。
    此時(shí)，驅(qū)動(dòng)的read函數(shù)默認(rèn)的操作是進(jìn)入休眠，一直等待到設(shè)備中有了數(shù)據(jù)為止。
 
    這種等待就是不定時(shí)的延遲，通常采用休眠機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。
 
 
(2)休眠
    休眠是基于等待隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的，前面我們已經(jīng)介紹過wait_event系列函數(shù)，
    但現(xiàn)在我們將不會(huì)有確定的休眠時(shí)間。
 
    當(dāng)進(jìn)程被置入休眠時(shí)，會(huì)被標(biāo)記為特殊狀態(tài)并從調(diào)度器的運(yùn)行隊(duì)列中移走。
    直到某些事件發(fā)生后，如設(shè)備接收到數(shù)據(jù)，則將進(jìn)程重新設(shè)為運(yùn)行態(tài)并進(jìn)入運(yùn)行隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。
    休眠函數(shù)的頭文件是<linux/wait.h>，具體的實(shí)現(xiàn)函數(shù)在kernel/wait.c中。
 
    a.休眠的規(guī)則
        *永遠(yuǎn)不要在原子上下文中休眠
        *當(dāng)被喚醒時(shí)，我們無法知道睡眠了多少時(shí)間，也不知道醒來后是否獲得了我們需要的資源
        *除非知道有其他進(jìn)程會(huì)在其他地方喚醒我們，否則進(jìn)程不能休眠
 
    b.等待隊(duì)列的初始化
        見前文
 
    c.休眠函數(shù)
        linux最簡(jiǎn)單的睡眠方式為wait_event宏。該宏在實(shí)現(xiàn)休眠的同時(shí)，檢查進(jìn)程等待的條件。
 
        A. 

        B. 

            q: 是等待隊(duì)列頭，注意是采用值傳遞。
            condition: 任意一個(gè)布爾表達(dá)式，在條件為真之前，進(jìn)程會(huì)保持休眠。
            注意！進(jìn)程需要通過喚醒函數(shù)才可能被喚醒，此時(shí)需要檢測(cè)條件。
            如果條件滿足，則被喚醒的進(jìn)程真正醒來；
            如果條件不滿足，則進(jìn)程繼續(xù)睡眠。
 
 
    d.喚醒函數(shù)
        當(dāng)我們的進(jìn)程睡眠后，需要由其他的某個(gè)執(zhí)行線程(可能是另一個(gè)進(jìn)程或中斷處理例程)喚醒。
        喚醒函數(shù)：
            #include <linux/wait.h>
            1.

 
            2. 

 
        wake_up會(huì)喚醒等待在給定queue上的所有進(jìn)程。
        而wake_up_interruptible喚醒那些執(zhí)行可中斷休眠的進(jìn)程。
        實(shí)踐中，約定做法是在使用wait_event時(shí)使用wake_up，而使用wait_event_interruptible時(shí)使用wake_up_interruptible。