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《Linux设备驱动开发详解》——第 4章、Linux内核模块
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第 4章 Linux内核模块
Linux 设备驱动会以内核模块的形式出现，因此，学会编写 Linux 内核模块编程
是学习 Linux设备驱动的先决条件。
4.1～4.2节讲解了 Linux内核模块的概念和结构，4.3～4.8节对 Linux内核模块的
各个组成部分进行详细讲解，4.1～4.2节与 4.3～4.8节是整体与部分的关系。
4.9 节讲解了独立存在的 Linux 内核模块的 Makefile 文件编写方法和模块的编译
方法。
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Linux内核模块简介
Linux 内核的整体结构非常庞大，其包含的组件也非常多。我们怎样把需要的部
分都包含在内核中呢？
一种方法是把所有需要的功能都编译到 Linux内核。这会导致两个问题，一是生
成的内核会很大，二是如果我们要在现有的内核中新增或删除功能，将不得不重新编
译内核。
有没有一种机制使得编译出的内核本身并不需要包含所有功能，而在这些功能需
要被使用的时候，其对应的代码可被动态地加载到内核中呢？
Linux提供了这样的一种机制，这种机制被称为模块（Module），可以实现以上效
果。模块具有以下特点。
l 模块本身不被编译入内核映像，从而控制了内核的大小。
l 模块一旦被加载，它就和内核中的其他部分完全一样。
为了使读者对模块建立初步的感性认识，我们先来看一个最简单的内核模块
“Hello World”，如代码清单 4.1所示。
代码清单 4.1 一个最简单的 Linux内核模块
1 #include
2 #include
3 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
4 static int hello_init(void)
5 {
6 printk(KERN_ALERT " Hello World enter\n");
7 return 0;
8 }
9 static void hello_exit(void)
10 {
11 printk(KERN_ALERT " Hello World exit\n ");
12 }
13 module_init(hello_init);
14 module_exit(hello_exit);
15
16 MODULE_AUTHOR("Song Baohua");
17 MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module");
18 MODULE_ALIAS("a simplest module");
这个最简单的内核模块只包含内核模块加载函数、卸载函数和对 Dual BSD/GPL
许可权限的声明以及一些描述信息。编译它会产生 hello.ko 目标文件，通过
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“insmod ./hello.ko”命令可以加载它，通过“rmmod hello”命令可以卸载它，加载时
输出“Hello World enter”，卸载时输出“Hello World exit”。
内核模块中用于输出的函数是内核空间的 printk()而非用户空间的 printf()，printk()
的用法和 printf()相似，但前者可定义输出级别。printk()可作为一种最基本的内核调试
手段。
在 Linux系统中，使用 lsmod命令可以获得系统中加载了的所有模块以及模块间
的依赖关系，例如：
[root@localhost driver_study]# lsmod
Module Size Used by
hello 1568 0
ohci1394 32716 0
ide_scsi 16708 0
ide_cd 39392 0
cdrom 36960 1 ide_cd
lsmod 命令实际上读取并
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
/proc/modules 文件，与上述 lsmod 命令结果对应的
/proc/modules文件如下：
[root@localhost driver_study]# cat /proc/modules
hello 1568 0 - Live 0xc8859000
ohci1394 32716 0 - Live 0xc88c8000
ieee1394 94420 1 ohci1394, Live 0xc8840000
ide_scsi 16708 0 - Live 0xc883a000
ide_cd 39392 0 - Live 0xc882f000
cdrom 36960 1 ide_cd, Live 0xc8876000
内核中已加载模块的信息也存在于/sys/module
目录
工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录
下，加载 hello.ko后，内核中
将包含/sys/module/hello目录，该目录下又包含一个 refcnt文件和一个 sections目录，
在/sys/module/hello目录下运行“tree –a”得到如下目录树：
[root@localhost hello]# tree -a
.
|-- refcnt
'-- sections
|-- .bss
|-- .data
|-- .gnu.linkonce.this_module
|-- .rodata
|-- .rodata.str1.1
|-- .strtab
|-- .symtab
|-- .text
'-- _ _versions
modprobe命令比 insmod命令要强大，它在加载某模块时会同时加载该模块所依赖的
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其他模块。使用modprobe命令加载的模块若以“modprobe -r filename”的方式卸载将同
时卸载其依赖的模块。
使用 modinfo <模块名>命令可以获得模块的信息，包括模块的作者、模块的说明、
模块所支持的参数以及 vermagic，如下所示：
[root@localhost driver_study]# modinfo hello.ko
filename: hello.ko
license: Dual BSD/GPL
author: Song Baohua
description: A simple Hello World Module
alias: a simplest module
vermagic: 2.6.15.5 686 gcc-3.2
depends:
Linux内核模块的程序结构
一个 Linux内核模块主要由以下几个部分组成。
l 模块加载函数（必须）。
当通过 insmod或 modprobe命令加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核
执行，完成本模块的相关初始化工作。
l 模块卸载函数（必须）。
当通过 rmmod命令卸载某模块时，模块的卸载函数会自动被内核执行，完成与模
块加载函数相反的功能。
l 模块许可证声明（必须）。
模块许可证（LICENSE）声明描述内核模块的许可权限，如果不声明 LICENSE，
模块被加载时，将收到内核被污染 （kernel tainted）的警告。
在 Linux 2.6 内核中，可接受的 LICENSE 包括“GPL”、“GPL v2”、“GPL and
additional rights”、“Dual BSD/GPL”、“Dual MPL/GPL”和“Proprietary”。
大多数情况下，内核模块应遵循 GPL兼容许可权。Linux 2.6内核模块最常见的
是以 MODULE_LICENSE( "Dual BSD/GPL" )语句声明模块采用 BSD/GPL 双
LICENSE。
l 模块参数（可选）。
模块参数是模块被加载的时候可以被传递给它的值，它本身对应模块内部的全局
变量。
l 模块导出符号（可选）。
内核模块可以导出符号（symbol，对应于函数或变量），这样其他模块可以使用本
模块中的变量或函数。
l 模块作者等信息声明（可选）。
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模块加载函数
Linux内核模块加载函数一般以_ _init标识声明，典型的模块加载函数的形式如代码
清单 4.2所示。
代码清单 4.2 内核模块加载函数
1 static int _ _init initialization_function(void)
2 {
3 /* 初始化代码 */
4 }
5 module_init(initialization_function);
模块加载函数必须以“module_init(函数名)”的形式被指定。它返回整型值，若初始
化成功，应返回 0。而在初始化失败时，应该返回错误编码。在 Linux内核里，错误编码
是一个负值，在中定义，包含-ENODEV、-ENOMEM 之类的符号值。返
回相应的错误编码是种非常好的习惯，因为只有这样，用户程序才可以利用 perror 等方
法把它们转换成有意义的错误信息字符串。
在 Linux 2.6内核中，可以使用 request_module(const char *fmt, …)函数加载内核
模块，驱动开发人员可以通过调用
request_module(module_name);
或
request_module("char-major-%d-%d", MAJOR(dev), MINOR(dev));
来加载其他内核模块。
在 Linux内核中，所有标识为_ _init的函数在连接的时候都放在.init.text这个区段
内，此外，所有的_ _init函数在区段.initcall.init中还保存了一份函数指针，在初始化
时内核会通过这些函数指针调用这些_ _init函数，并在初始化完成后释放 init区段（包
括.init.text，.initcall.init等）。
模块卸载函数
Linux内核模块卸载函数一般以_ _exit标识声明，典型的模块卸载函数的形式如代码清
单 4.3所示。
代码清单 4.3 内核模块卸载函数
1 static void _ _exit cleanup_function(void)
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2 {
3 /* 释放代码 */
4 }
5 module_exit(cleanup_function);
模块卸载函数在模块卸载的时候执行，不返回任何值，必须以“module_exit(函数
名)”的形式来指定。
通常来说，模块卸载函数要完成与模块加载函数相反的功能，如下所示。
l 若模块加载函数注册了 XXX，则模块卸载函数应该注销 XXX。
l 若模块加载函数动态申请了内存，则模块卸载函数应释放该内存。
l 若模块加载函数申请了硬件资源（中断、DMA通道、I/O端口和 I/O内存等）
的占用，则模块卸载函数应释放这些硬件资源。
l 若模块加载函数开启了硬件，则卸载函数中一般要关闭硬件。
和_ _init一样，_ _exit也可以使对应函数在运行完成后自动回收内存。实际上，_
_init和_ _exit都是宏，其定义分别为：
#define _ _init _ _attribute_ _ ((_ _section_ _ (".init.text")))
和
#ifdef MODULE
#define _ _exit _ _attribute_ _ ((_ _section_ _(".exit.text")))
#else
#define _ _exit _ _attribute_used_ _ _ _attribute_ _ ((_ _section_
_(".exit.text")))
#endif
数据也可以被定义为_initdata和_exitdata，这两个宏分别为：
#define _ _initdata_ _attribute_ _ ((_ _section_ _ (".init.data")))
和
#define _ _exitdata_ _attribute_ _ ((_ _section_ _(".exit.data")))
模块参数
我们可以用“module_param(参数名,参数类型,参数读/写权限)”为模块定义一个参
数，例如下列代码定义了一个整型参数和一个字符指针参数：
static char *book_name = "深入浅出 Linux设备驱动";
static int num = 4000;
module_param(num, int, S_IRUGO);
module_param(book_name, charp, S_IRUGO);
在装载内核模块时，用户可以向模块传递参数，形式为“insmode（或 modprobe）
模块名 参数名=参数值”，如果不传递，参数将使用模块内定义的默认值。
参数类型可以是 byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、charp（字符指针）、
bool 或 invbool（布尔的反），在模块被编译时会将 module_param中声明的类型与变
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量定义的类型进行比较，判断是否一致。
模块被加载后，在/sys/module/目录下将出现以此模块名命名的目录。当“参数读
/写权限”为 0时，
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
示此参数不存在 sysfs文件系统下对应的文件节点，如果此模块
存在“参数读/写权限”不为 0的命令行参数，在此模块的目录下还将出现 parameters
目录，包含一系列以参数名命名的文件节点，这些文件的权限值就是传入
module_param()的“参数读/写权限”，而文件的内容为参数的值。
除此之外，模块也可以拥有参数数组，形式为“module_param_array(数组名,数组
类型,数组长,参数读/写权限)”。从 2.6.0～2.6.10 版本，需将数组长变量名赋给“数组
长”，从 2.6.10版本开始，需将数组长变量的指针赋给“数组长”，当不需要保存实际
输入的数组元素个数时，可以设置“数组长”为 NULL。
运行 insmod或 modprobe命令时，应使用逗号分隔输入的数组元素。
现在我们定义一个包含两个参数的模块（如代码清单 4.4所示），并观察模块加载
时被传递参数和不传递参数时的输出。
代码清单 4.4 带参数的内核模块
1 #include
2 #include
3 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
4
5 static char *book_name = "dissecting Linux Device Driver";
6 static int num = 4000;
7
8 static int book_init(void)
9 {
10 printk(KERN_INFO " book name:%s\n",book_name);
11 printk(KERN_INFO " book num:%d\n",num);
12 return 0;
13 }
14 static void book_exit(void)
15 {
16 printk(KERN_ALERT " Book module exit\n ");
17 }
18 module_init(book_init);
19 module_exit(book_exit);
20 module_param(num, int, S_IRUGO);
21 module_param(book_name, charp, S_IRUGO);
22
23 MODULE_AUTHOR("Song Baohua, author@linuxdriver.cn");
24 MODULE_DESCRIPTION("A simple Module for testing module params");
25 MODULE_VERSION("V1.0");
对上述模块运行“insmod book.ko”命令加载，相应输出都为模块内的默认值，通
过查看“/var/log/messages”日志文件可以看到内核的输出，如下所示：
[root@localhost driver_study]# tail -n 2 /var/log/messages
Jul 2 01:03:10 localhost kernel: <6> book name:dissecting Linux Device
Driver
Jul 2 01:03:10 localhost kernel: book num:4000
当用户运行“insmod book.ko book_name='GoodBook' num=5000”命令时，输出的
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是用户传递的参数，如下所示：
[root@localhost driver_study]# tail -n 2 /var/log/messages
Jul 2 01:06:21 localhost kernel: <6> book name:GoodBook
Jul 2 01:06:21 localhost kernel: book num:5000
3
导出符号
Linux 2.6的“/proc/kallsyms”文件对应着内核符号表，它记录了符号以及符号所在
的内存地址。
模块可以使用如下宏导出符号到内核符号表：
EXPORT_SYMBOL(符号名);
EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名);
导 出 的 符 号 将 可 以 被 其 他 模 块 使 用 ， 使 用 前 声 明 一 下 即 可 。
EXPORT_SYMBOL_GPL()只适用于包含 GPL许可权的模块。代码清单 4.5给出了一
个导出整数加、减运算函数符号的内核模块的例子（这些导出符号没有实际意义，只
是为了演示）。
代码清单 4.5 内核模块中的符号导出
1 #include
2 #include
3 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
4
5 int add_integar(int a,int b)
6 {
7 return a+b;
8 }
9
10 int sub_integar(int a,int b)
11 {
12 return a-b;
13 }
14
15 EXPORT_SYMBOL(add_integar);
16 EXPORT_SYMBOL(sub_integar);
从“/proc/kallsyms”文件中找出 add_integar、sub_integar相关信息：
[root@localhost driver_study]# cat /proc/kallsyms | grep integar
c886f050 r _ _kcrctab_add_integar [export]
c886f058 r _ _kstrtab_add_integar [export]
c886f070 r _ _ksymtab_add_integar [export]
c886f054 r _ _kcrctab_sub_integar [export]
c886f064 r _ _kstrtab_sub_integar [export]
c886f078 r _ _ksymtab_sub_integar [export]
c886f000 T add_integar [export]
c886f00b T sub_integar [export]
13db98c9 a _ _crc_sub_integar [export]
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e1626dee a _ _crc_add_integar [export]
3
模块声明与描述
在 Linux内核模块中，我们可以用MODULE_AUTHOR、MODULE_DESCRIPTION、
MODULE_ VERSION、MODULE_DEVICE_TABLE、MODULE_ALIAS分别声明模块的
作者、描述、版本、设备表和别名，例如：
MODULE_AUTHOR(author);
MODULE_DESCRIPTION(description);
MODULE_VERSION(version_string);
MODULE_DEVICE_TABLE(table_info);
MODULE_ALIAS(alternate_name);
对于 USB、PCI等设备驱动，通常会创建一个MODULE_DEVICE_TABLE，如代
码清单 4.6所示。
代码清单 4.6 驱动所支持的设备列表
1 /* 对应此驱动的设备表 */
2 static struct usb_device_id skel_table [] = {
3 { USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID,
4 USB_SKEL_PRODUCT_ID) },
5 { } /* 表结束 */
6 };
7
8 MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table);
此时，并不需要读者理解 MODULE_DEVICE_TABLE 的作用，后续相关章节会
有详细介绍。
3
模块的使用计数
Linux 2.4 内 核 中 ， 模 块 自 身 通 过 MOD_INC_USE_COUNT 、
MOD_DEC_USE_COUNT宏来管理自己被使用的计数。
Linux 2.6 内核提供了模块计数管理接口 try_module_get(&module)和 module_put
(&module)，从而取代 Linux 2.4内核中的模块使用计数管理宏。模块的使用计数一般
不必由模块自身管理，而且模块计数管理还考虑了 SMP与 PREEMPT机制的影响。
int try_module_get(struct module *module);
该函数用于增加模块使用计数；若返回为 0，表示调用失败，希望使用的模块没
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有被加载或正在被卸载中。
void module_put(struct module *module);
该函数用于减少模块使用计数。
try_module_get ()与 module_put()的引入与使用与 Linux 2.6内核下的设备模型密
切相关。Linux 2.6内核为不同类型的设备定义了 struct module *owner域，用来指向
管理此设备的模块。当开始使用某个设备时，内核使用 try_module_get(dev->owner)
去增加管理此设备的 owner 模块的使用计数；当不再使用此设备时，内核使用
module_put(dev->owner)减少对管理此设备的 owner模块的使用计数。这样，当设备在
使用时，管理此设备的模块将不能被卸载。只有当设备不再被使用时，模块才允许被
卸载。
在Linux 2.6内核下，对于设备驱动
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
师而言，很少需要亲自调用 try_module_get()
与 module_put()，因为此时开发人员所写的驱动通常为支持某具体设备的 owner模块，
对此设备 owner模块的计数管理由内核里更底层的代码（如总线驱动或是此类设备共
用的核心模块）来实现，从而简化了设备驱动的开发。
3
模块的编译
我们可以为代码清单 4.1的模板编写一个简单的Makefile，如下所示：
obj-m := hello.o
并使用如下命令编译 Hello World模块，如下所示：
make -C /usr/src/linux-2.6.15.5/ M=/driver_study/ modules
如果当前处于模块所在的目录，则以下命令与上述命令同等：
make –C /usr/src/linux-2.6.15.5 M=$(pwd) modules
其中-C后指定的是Linux内核源代码的目录，而M=后指定的是 hello.c和Makefile
所在的目录，编译结果如下所示：
[root@localhost driver_study]# make -C /usr/src/linux-2.6.15.5/
M=/driver_study/ modules
make: Entering directory '/usr/src/linux-2.6.15.5'
CC [M] /driver_study/hello.o
/driver_study/hello.c:18:35: warning: no newline at end of file
Building modules, stage 2.
MODPOST
CC /driver_study/hello.mod.o
LD [M] /driver_study/hello.ko
make: Leaving directory '/usr/src/linux-2.6.15.5'
从中可以看出，编译过程中经历了这样的步骤：先进入 Linux内核所在的目录，
并编译出 hello.o文件，运行 MODPOST会生成临时的 hello.mod.c文件，而后根据此
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文件编译出 hello.mod.o，之后连接 hello.o 和 hello.mod.o 文件得到模块目标文件
hello.ko，最后离开 Linux内核所在的目录。
中间生成的 hello.mod.c文件的源代码如代码清单 4.7所示。
代码清单 4.7 模块编译时生成的.mod.c文件
1 #include
2 #include
3 #include
4
5 MODULE_INFO(vermagic, VERMAGIC_STRING);
6
7 struct module _ _this_module
8 _ _attribute_ _((section(".gnu.linkonce.this_module"))) = {
9 .name = KBUILD_MODNAME,
10 .init = init_module,
11 #ifdef CONFIG_MODULE_UNLOAD
12 .exit = cleanup_module,
13 #endif
14 };
15
16 static const char _ _module_depends[]
17 _ _attribute_used_ _
18 _ _attribute_ _((section(".modinfo"))) =
19 "depends=";
hello.mod.o产生了 ELF（Linux所采用的可执行/可连接的文件
格式
pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载
）的两个节，
即 modinfo和.gun.linkonce.this_module。
如果一个模块包括多个.c 文件（如 file1.c、file2.c），则应该以如下方式编写
Makefile：
obj-m := modulename.o
module-objs := file1.o file2.o
30
模块与 GPL
对于自己编写的驱动等内核代码，如果不编译为模块则无法绕开 GPL，编译为模
块后企业在产品中使用模块，则公司对外不再需要提供对应的源代码，为了使公司产
品所使用的 Linux操作系统支持模块，需要完成如下工作。
l 在内核编译时应该选上“Enable loadable module support”，嵌入式产品一般
不需要动态卸载模块，所以“可以卸载模块”不用选，当然选了也没关系，
如图 4.1所示。
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图 4.1 内核中支持模块的编译选项
如果有项目被选择“M”，则编译时除了 make bzImage以外，也要 make modules。
l 将我们编译的内核模块.ko文件放置在目标文件系统的相关目录中。
l 产品的文件系统中应该包含了支持新内核的 insmod、lsmod、rmmod等工具，
由于嵌入式产品中一般不需要建立模块间依赖关系，所以 modprobe 可以不
要，一般也不需要卸载模块，所以 rmmod也可以不要。
l 在使用中用户可使用 insmod命令手动加载模块，如 insmod xxx.ko。
l 但是一般而言，产品在启动过程中应该加载模块，在嵌入式 Linux的启动过
程中，加载企业自己的模块的最简单的方法是修改启动过程的 rc脚本，增加
insmod /.../xxx.ko这样的命令。如某设备正在使用的 Linux 系统中包含如下
rc脚本：
mount /proc
mount /var
mount /dev/pts
mkdir /var/log
mkdir /var/run
mkdir /var/ftp
mkdir -p /var/spool/cron
mkdir /var/config
...
insmod /usr/lib/company_driver.ko 2> /dev/null
/usr/bin/userprocess
/var/config/rc
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总结
本章主要讲解了 Linux内核模块的概念和基本的编程方法。内核模块由加载/卸载
函数、功能函数以及一系列声明组成，它可以被传入参数，也可以导出符号供其他模
块使用。
由于 Linux 设备驱动以内核模块的形式而存在，因此，掌握这一章的内容是编
写任何类型设备驱动所必须的。在具体的设备驱动开发中，将驱动编译为模块也有
很强的工程意义，因为如果将正在开发中的驱动直接编译入内核，而开发过程中会
不断修改驱动的代码，则需要不断地编译内核并重启 Linux，但是如果编译为模块，
则只需要 rmmod并 insmod即可，开发效率大为提高。
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