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1.Linux 内核模块
Linux 设备驱动属于内核的一部分，Linux 内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载：
（1）直接编译进Linux 内核，随同Linux 启动时加载；
（2）编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod 加载（modprobe 和insmod 命令类似，但依赖于相关
的配置文件），rmmod 删除。这种方式控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他部分一
样。
下面我们给出一个内核模块的例子：
#include <linux/module.h> //所有模块都需要的头文件
#include <linux/init.h> // init&exit 相关宏
MODULE_LICENSE("GPL");
static int __init hello_init (void)
{
printk("Hello module init\n");
return 0;
}
static void __exit hello_exit (void)
{
printk("Hello module exit\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
分析上述程序，发现一个Linux 内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数，前者在insmod 的时候运行，后
者在rmmod 的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init 和module_exit 使用前定义，否则会出
现编译错误。
程序中的MODULE_LICENSE("GPL")用于声明模块的许可证。
如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块，则编译命令为：
gcc –D__KERNEL__ -DMODULE –DLINUX –I /usr/local/src/linux2.4/include -c –o hello.o hello.c
由此可见，Linux 内核模块的编译需要给gcc 指示–D__KERNEL__ -DMODULE –DLINUX 参数。-I 选项跟
着Linux 内核源代码中Include 目录的路径。
下列命令将可加载hello 模块：
insmod ./hello.o
下列命令完成相反过程：
rmmod hello
如果要将其直接编译入Linux 内核，则需要将源代码文件拷贝入Linux 内核源代码的相应路径里，并修改
Makefile。
我们有必要补充一下Linux 内核编程的一些基本知识：
内存
在Linux 内核模式下，我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。进行内核编程时，最常
用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h 文件中声明的kmalloc()和kfree()，其原型为：
void *kmalloc(unsigned int len, int priority);
void kfree(void *__ptr);
kmalloc 的priority 参数通常设置为GFP_KERNEL，如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC
参数，因为使用GFP_KERNEL 参数可能会引起睡眠，不能用于非进程上下文中（在中断中是不允许睡眠的）。
由于内核态和用户态使用不同的内存定义，所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用Linux 中的用
户和内核态内存交互函数（这些函数在include/asm/uaccess.h 中被声明）：
unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);
unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned long len);
copy_from_user、copy_to_user 函数返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0。
include/asm/uaccess.h 中定义的put_user 和get_user 用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、
int、long）。
这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛，关于Linux 内存管理的更多细节知识，我们会在本文第9 节《内
存与I/O 操作》进行更加深入地介绍。
输出在内核编程中，我们不能使用用户态C 库函数中的printf()函数输出信息，而只能使用printk()。但是，内核
中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流，它实际上是内核的一种日志机制，用来记录下日志信息或
者给出警告提示。
每个printk 都会有个优先级，内核一共有8 个优先级，它们都有对应的宏定义。如果未指定优先级，内核会选
择默认的优先级DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。如果优先级数字比int console_loglevel 变量小的话，
消息就会打印到控制台上。如果syslogd 和klogd 守护进程在运行的话，则不管是否向控制台输出，消息都会
被追加进/var/log/messages 文件。klogd 只处理内核消息，syslogd 处理其他系统消息，比如应用程序。
模块参数
2.4 内核下，include/linux/module.h 中定义的宏MODULE_PARM(var,type) 用于向模块传递命令行参数。
var 为接受参数值的变量名，type 为采取如下格式的字符串[min[-max]]{b,h,i,l,s}。min 及max 用于表示
当参数为数组类型时，允许输入的数组元素的个数范围；b：byte；h：short；i：int；l：long；s：string。
在装载内核模块时，用户可以向模块传递一些参数：
insmod modname var=value
如果用户未指定参数，var 将使用模块内定义的缺省值。
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xilinxue 发表于 2008/11/10 13:15:23
Linux 下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows 的设备操作2楼 回复本楼
犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备
进行操作，如open ()、close ()、read ()、write () 等。
Linux 主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块
设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。
下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备：这个设备中只有一个4 个字节的全局变量int global_var，而
这个设备的名字叫做“gobalvar”。对“gobalvar”设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var 的操作。
驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化
工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备：
static int __init gobalvar_init(void)
{
if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops))
{
//…注册失败
}
else
{
//…注册成功
}
}
其中，register_chrdev 函数中的参数MAJOR_NUM 为主设备号,“gobalvar”为设备名，gobalvar_fops 为
包含基本函数入口点的结构体，类型为file_operations。当gobalvar 模块被加载时，gobalvar_init 被执行，
它将调用内核函数register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户
进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。
与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数，需要调用register_chrdev()的“反函数” unregister_chrdev()：
static void __exit gobalvar_exit(void)
{
if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar "))
{
//…卸载失败
}
else
{
//…卸载成功
}
}
随着内核不断增加新的功能，file_operations 结构体已逐渐变得越来越大，但是大多数的驱动程序只是利用了
其中的一部分。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()、
llseek()、poll()等。
open()函数 对设备特殊文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open () 函数：
int (*open)(struct inode * ,struct file *);
其中参数inode 为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针，参数file 是指向这一设备的文件结构的指
针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode-> i
- rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0 表示成功，负数表示存在错误) 等；
release()函数 当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的release ()
函数：
void (*release) (struct inode * ,struct file *) ;
release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。
read()函数 当对设备特殊文件进行read() 系统调用时，将调用驱动程序read() 函数：
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时，将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL
（“Invalid argument，非法参数”）。函数返回非负值表示成功读取的字节数（返回值为“signed size”数据
类型，通常就是目标平台上的固有整数类型）。
globalvar_read 函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2 节所介绍的函数：
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
…
copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int));
…
}
write( ) 函数 当设备特殊文件进行write () 系统调用时，将调用驱动程序的write () 函数：
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
向设备发送数据。如果没有这个函数，write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负，则
表示成功写入的字节数。
globalvar_write 函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2 节所介绍的函数：
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t
*off)
{
…
copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int));
…
}
ioctl() 函数 该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型
为：
int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long);
unsigned int 参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsigned long 参数为相应的命令提
供参数，类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl 入口点，则对于任何内核未预先定义的请求，ioctl 系
统调用将返回错误（-ENOTTY，“No such ioctl fordevice，该设备无此ioctl 命令”）。如果该设备方法返回
一个非负值，那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。
llseek()函数该函数用来修改文件的当前读写位置，并将新位置作为（正的）返回值返回，原型为：
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
poll()函数poll 方法是poll 和select 这两个系统调用的后端实现，用来查询设备是否可读或可写，或是否
处于某种特殊状态，原型为：
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
我们将在“设备的阻塞与非阻塞操作”一节对该函数进行更深入的介绍。
设备“gobalvar” 的驱动程序的这些函数应分别命名为gobalvar_open 、gobalvar_ release 、
gobalvar_read 、gobalvar_write 、gobalvar_ioctl ， 因此设备“gobalvar” 的基本入口点结构变量
gobalvar_fops 赋值如下：
struct file_operations gobalvar_fops = {
read: gobalvar_read,
write: gobalvar_write,
};
上述代码中对gobalvar_fops 的初始化方法并不是标准C 所支持的，属于GNU 扩展语法。
完整的globalvar.c 文件源代码如下：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254 //主设备号
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
//初始化字符设备驱动的file_operations 结构体
struct file_operations globalvar_fops =
{
read: globalvar_read, write: globalvar_write,
};
static int global_var = 0; //“globalvar”设备的全局变量
static int __init globalvar_init(void)
{
int ret;
//注册设备驱动
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
printk("globalvar register success");
}
return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
int ret;
//注销设备驱动
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
if (ret)
{
printk("globalvar unregister failure");
}
else
{
printk("globalvar unregister success");
}
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//将global_var 从内核空间复制到用户空间
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
return - EFAULT;
}
return sizeof(int);
}
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t
*off)
{
//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
return - EFAULT;
}
return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
运行
gcc –D__KERNEL__ -DMODULE –DLINUX –I /usr/local/src/linux2.4/include -c –o globalvar.o
globalvar.c
编译代码，运行
inmod globalvar.o
加载globalvar 模块，再运行
cat /proc/devices
发现其中多出了“254 globalvar”一行，如下图：
接着我们可以运行：
mknod /dev/globalvar c 254 0
创建设备节点，用户进程通过/dev/globalvar 这个路径就可以访问到这个全局变量虚拟设备了。我们写一个用
户态的程序globalvartest.c 来验证上述设备：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
int fd, num;
//打开“/dev/globalvar”
fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fd != -1 )
{
//初次读globalvar
read(fd, &num, sizeof(int));
printf("The globalvar is %d\n", num);
//写globalvar
printf("Please input the num written to globalvar\n");
scanf("%d", &num);
write(fd, &num, sizeof(int));
//再次读globalvar
read(fd, &num, sizeof(int));
printf("The globalvar is %d\n", num);
//关闭“/dev/globalvar”
close(fd);
}
else
{
printf("Device open failure\n");
}
}
编译上述文件：
gcc –o globalvartest.o globalvartest.c
运行
./globalvartest.o
可以发现“globalvar”设备可以正确的读写。
引用 xilinxue 2008/11/10 13:15:23 发表于2楼的内容
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xilinxue 发表于 2008/11/10 13:15:55
3楼 回复本楼
在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动程序中的全局变量是一种典型的共享资源），可能会
引发“竞态”，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux 内核中解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信
号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。
自旋锁与信号量“类似而不类”，类似说的是它们功能上的相似性，“不类”指代它们在本质和实现机理上完全不
一样，不属于一类。
自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环查看是否该自旋锁的保
持者已经释放了锁，“自旋”就是“在原地打转”。而信号量则引起调用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，
除非获得锁。这就是它们的“不类”。
但是，无论是信号量，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，即在任何时刻最多只能有一个执行
单元获得锁。这就是它们的“类似”。
鉴于自旋锁与信号量的上述特点，一般而言，自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用；
信号量适合于保持时间较长的情况，会只能在进程上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，
则可以以信号量来保护该共享资源，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也是好的选择。但是，如果被
保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。
与信号量相关的API 主要有：
定义信号量
struct semaphore sem;
初始化信号量
void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
该函数初始化信号量，并设置信号量sem 的值为val
void init_MUTEX (struct semaphore *sem);
该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量sem 的值设置为1，等同于sema_init (struct semaphore
*sem, 1)；
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);
该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem 的值设置为0，等同于sema_init (struct semaphore
*sem, 0)；
获得信号量
void down(struct semaphore * sem);
该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用；
int down_interruptible(struct semaphore * sem);
该函数功能与down 类似，不同之处为，down 不能被信号打断，但down_interruptible 能被信号打断；
int down_trylock(struct semaphore * sem);
该函数尝试获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0 值。它不会导
致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。
释放信号量
void up(struct semaphore * sem);
该函数释放信号量sem，唤醒等待者。
与自旋锁相关的API 主要有：
定义自旋锁
spinlock_t spin;
初始化自旋锁
spin_lock_init(lock)
该宏用于动态初始化自旋锁lock
获得自旋锁
spin_lock(lock)
该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保
持者释放；
spin_trylock(lock)
该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，否则立即返回假，实际上不再“在原地打转”；
释放自旋锁
spin_unlock(lock)
该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock 或spin_lock 配对使用；
除此之外，还有一组自旋锁使用于中断情况下的API。
下面进入对并发控制的实战。首先，在globalvar 的驱动程序中，我们可以通过信号量来控制对int global_var
的并发访问，下面给出源代码：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/semaphore.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
struct file_operations globalvar_fops =
{
read: globalvar_read, write: globalvar_write,
};
static int global_var = 0;
static struct semaphore sem;
static int __init globalvar_init(void)
{
int ret;
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
printk("globalvar register success");
init_MUTEX(&sem);
}
return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
int ret;
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
if (ret)
{
printk("globalvar unregister failure");
}
else
{
printk("globalvar unregister success");
}
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//获得信号量
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
//将global_var 从内核空间复制到用户空间
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
//释放信号量
up(&sem);
return sizeof(int);
}
ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t
*off)
{
//获得信号量
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
//释放信号量
up(&sem);
return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
接下来，我们给globalvar 的驱动程序增加open()和release()函数，并在其中借助自旋锁来保护对全局变量
int globalvar_count（记录打开设备的进程数）的访问来实现设备只能被一个进程打开（必须确保
globalvar_count 最多只能为1）：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/semaphore.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp);
static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp);
struct file_operations globalvar_fops =
{
read: globalvar_read, write: globalvar_write, open: globalvar_open, release:
globalvar_release,
};
static int global_var = 0;
static int globalvar_count = 0;
static struct semaphore sem;
static spinlock_t spin = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
static int __init globalvar_init(void)
{
int ret;
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
printk("globalvar register success");
init_MUTEX(&sem);
}
return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
int ret;
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
if (ret)
{
printk("globalvar unregister failure");
}
else
{
printk("globalvar unregister success");
}
}
static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//获得自选锁
spin_lock(&spin);
//临界资源访问
if (globalvar_count)
{
spin_unlock(&spin);
return - EBUSY;
}
globalvar_count++;
//释放自选锁
spin_unlock(&spin);
return 0;
}
static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
globalvar_count--;
return 0;
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t
*off)
{
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
up(&sem);
return sizeof(int);
}
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len,
loff_t *off)
{
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
up(&sem);
return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
为了上述驱动程序的效果， 我们启动两个进程分别打开/dev/globalvar 。在两个终端中调
用./globalvartest.o 测试程序，当一个进程打开/dev/globalvar 后，另外一个进程将打开失败，输出“device
open failure”，如下图：
引用 xilinxue 2008/11/10 13:15:55 发表于3楼的内容
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引用 匿名 2009/1/6 16:23:28 发表于4楼的内容