📚 课程目录第3章第一个字符设备驱动

3. 第一个字符设备驱动

本章将带领你从零编写第一个内核模块——一个简单的“Hello World”字符设备驱动。通过这个最小化的驱动，你将掌握内核模块的基本框架、编译方法以及加载/卸载流程，为后续编写复杂驱动打下坚实基础。

3.1 内核模块的基本结构

一个完整的内核模块至少包含两个核心函数：模块初始化函数和模块退出函数。它们通过特定的宏与内核注册，分别在内核加载和卸载模块时被自动调用。

宏/函数	作用	调用时机
`module_init(init_func)`	指定模块初始化入口函数	执行 `insmod` 时
`module_exit(exit_func)`	指定模块退出清理函数	执行 `rmmod` 时
`MODULE_LICENSE("GPL")`	声明模块许可证（必须）	编译时嵌入
`MODULE_AUTHOR("name")`	声明模块作者（可选）	编译时嵌入
`MODULE_DESCRIPTION("desc")`	声明模块描述（可选）	编译时嵌入

3.2 编写Hello驱动模块

创建一个名为 hello.c 的文件，输入以下代码：

#include <linux/module.h>    /* 所有模块都需要 */
#include <linux/kernel.h>    /* printk() 所需 */
#include <linux/init.h>      /* __init / __exit 宏 */

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, World! Module loaded.\n");
    return 0;   /* 0表示成功，负数表示失败 */
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, World! Module unloaded.\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Linux Driver Course");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World kernel module");

关键点：

__init 标记初始化函数，模块加载后该函数占用的内存会被释放。
__exit 标记退出函数，如果模块被编译进内核（非模块），该函数会被忽略。
printk 是内核空间的打印函数，KERN_INFO 指定日志级别。
初始化函数返回 0 表示成功，返回负数表示失败，内核将拒绝加载。

3.3 编写Makefile编译模块

内核模块不能使用普通的gcc编译，必须借助内核的构建系统。在 hello.c 同目录下创建 Makefile：

obj-m := hello.o

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD  := $(shell pwd)

all:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

Makefile变量	含义
`obj-m`	指定要编译成模块的目标文件（.o）
`KDIR`	内核源码树路径，通常指向已安装的内核头文件
`M=$(PWD)`	告诉内核构建系统在哪个目录查找模块源码

执行 make 命令，编译成功后会在当前目录生成 hello.ko（内核模块文件）。

常见编译错误：

“No such file or directory”：检查 KDIR 路径是否正确，确保已安装内核头文件（linux-headers-$(uname -r)）。
“Permission denied”：确保当前用户对内核源码树有读取权限。
“multiple definition of `init_module'”：检查是否重复定义了 module_init 或函数名冲突。

3.4 加载与卸载模块

编译得到 hello.ko 后，使用以下命令操作模块：

# 加载模块
sudo insmod hello.ko

# 查看模块是否加载成功
lsmod | grep hello

# 查看内核日志输出
dmesg | tail -5

# 卸载模块
sudo rmmod hello

# 再次查看日志确认卸载
dmesg | tail -5

命令	功能	说明
`insmod`	加载模块	需要root权限；模块路径可以是绝对或相对路径
`rmmod`	卸载模块	只需模块名，不需要路径和.ko后缀
`lsmod`	列出所有已加载模块	显示模块名、大小、被谁使用
`modinfo`	查看模块详细信息	显示作者、描述、许可证、参数等
`dmesg`	查看内核环形缓冲区日志	模块的 `printk` 输出会出现在这里

3.5 模块生命周期与内核日志流

下图展示了从编写代码到加载/卸载模块的完整流程，以及内核日志的流向：

3.6 查看模块信息

模块加载后，可以使用 modinfo 命令查看模块的元数据信息：

modinfo hello.ko

# 输出示例：
filename:       /home/user/hello/hello.ko
license:        GPL
author:         Embedded Linux Driver Course
description:    A simple Hello World kernel module
depends:        
retpoline:      Y
name:           hello
vermagic:       5.15.0-generic SMP mod_unload modversions

使用 lsmod 查看当前已加载的模块列表：

lsmod | head -10

# 输出示例：
Module                  Size  Used by
hello                  16384  0
nfnetlink              16384  2 nfnetlink_log
...                     ...    ...

lsmod 列	含义
Module	模块名称
Size	模块占用的内存大小（字节）
Used by	被哪些模块或进程使用，0表示未被使用

  实践检查清单：
  ✅ 确认 hello.c 和 Makefile 在同一目录。
✅ 执行 make 无错误，生成 hello.ko。
✅ sudo insmod hello.ko 无输出（成功时无消息）。
✅ lsmod | grep hello 显示模块已加载。
✅ dmesg | tail 看到 "Hello, World! Module loaded."。
✅ sudo rmmod hello 卸载成功。
✅ dmesg | tail 看到 "Goodbye, World! Module unloaded."。

3.7 本章小结

通过本章的学习，你已经掌握了：

内核模块的标准框架：module_init / module_exit 配对使用。
使用 Makefile 调用内核构建系统编译模块。
使用 insmod / rmmod / lsmod / modinfo / dmesg 管理模块。
理解内核日志的输出与查看机制。