3. Linux内核模块基础

在 Android 驱动开发中，Linux 内核模块（Kernel Module）是实现 HAL 层与硬件交互的底层基石。模块允许开发者在不重新编译整个内核的情况下，动态扩展内核功能。本章将深入剖析模块的加载/卸载机制、参数传递方法以及依赖关系管理，为后续编写实际的 HAL 与 Kernel 联动代码打下坚实基础。

3.1 模块加载与卸载：insmod / rmmod / modprobe

Linux 提供了三个核心工具来管理内核模块的生命周期。下表对比了它们的功能与适用场景：

模块的生命周期由两个关键函数控制：module_init() 和 module_exit()。当执行 insmod 时，内核调用 module_init 指定的初始化函数；执行 rmmod 时，调用 module_exit 指定的清理函数。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

static int __init my_driver_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "MyDriver: Module loaded successfully.\n");
    // 在此处注册设备、分配资源等
    return 0;
}

static void __exit my_driver_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "MyDriver: Module unloaded.\n");
    // 在此处释放资源、注销设备等
}

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Android Driver Developer");
MODULE_DESCRIPTION("A sample kernel module for HAL-Kernel linkage");

3.2 模块参数传递

内核模块支持在加载时通过命令行传递参数，这使得驱动可以在不重新编译的情况下调整行为。参数使用 module_param() 宏声明，支持多种数据类型。

支持的参数类型：

参数权限位（perm）：

• 0：参数仅在 /sys/module/ 中不可见，仅用于加载时传递。
• S_IRUGO：所有用户可读（通常用于调试参数）。
• S_IWUSR | S_IRUGO：所有者可写，其他用户可读。

static int debug_level = 0;
static char *device_name = "default_dev";
module_param(debug_level, int, S_IRUGO | S_IWUSR);
module_param(device_name, charp, S_IRUGO);

MODULE_PARM_DESC(debug_level, "Debug output level (0=off, 1=info, 2=verbose)");
MODULE_PARM_DESC(device_name, "Name of the hardware device");

static int __init param_demo_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "ParamDemo: debug_level=%d, device_name=%s\n",
           debug_level, device_name);
    return 0;
}

加载时传递参数：

# 使用 insmod
insmod param_demo.ko debug_level=2 device_name="sensor0"

# 使用 modprobe（需要将参数写入 /etc/modprobe.d/ 或命令行）
modprobe param_demo debug_level=1 device_name="sensor1"

3.3 模块依赖关系

在实际的 Android 驱动栈中，一个驱动模块往往依赖于其他模块提供的符号（函数、变量）。例如，一个 I2C 传感器驱动依赖于 I2C 核心模块提供的总线操作函数。依赖关系通过 EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 宏建立。

依赖关系建立流程：

1. 导出符号：提供服务的模块使用 EXPORT_SYMBOL(func_name) 将符号导出到内核符号表。
2. 引用符号：依赖模块在代码中直接调用这些导出的函数。
3. 链接时记录：编译依赖模块时，链接器记录未解析的符号引用。
4. 加载时解析：modprobe 读取 /lib/modules/$(uname -r)/modules.dep 文件，自动按顺序加载所有依赖模块。

SVG 图：模块依赖关系与加载流程

3.4 实战：编写一个带参数和依赖的模块

以下示例展示了一个模拟的“虚拟传感器”模块，它依赖于一个“虚拟总线”模块，并接收加载时参数。

步骤 1：编写总线模块（bus_module.c）

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

void virtual_bus_write(int data)
{
    printk(KERN_INFO "VirtualBus: Writing data %d\n", data);
}
EXPORT_SYMBOL(virtual_bus_write);

static int __init bus_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "VirtualBus: Module loaded.\n");
    return 0;
}

static void __exit bus_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "VirtualBus: Module unloaded.\n");
}

module_init(bus_init);
module_exit(bus_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

步骤 2：编写传感器模块（sensor_module.c）

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

extern void virtual_bus_write(int data);

static int sensor_id = 0;
module_param(sensor_id, int, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(sensor_id, "Sensor ID (0-255)");

static int __init sensor_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Sensor: Initializing sensor ID %d\n", sensor_id);
    virtual_bus_write(sensor_id);  // 调用总线模块导出的函数
    return 0;
}

static void __exit sensor_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Sensor: Module unloaded.\n");
}

module_init(sensor_init);
module_exit(sensor_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Sensor driver depending on virtual bus");

步骤 3：编译与加载测试

# 编译两个模块（假设已有 Makefile）
make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules

# 正确加载顺序（使用 modprobe 自动处理）
sudo modprobe sensor_module sensor_id=5

# 或者手动加载
sudo insmod bus_module.ko
sudo insmod sensor_module.ko sensor_id=5

# 查看加载状态
lsmod | grep -E "bus_module|sensor_module"

# 卸载（注意顺序）
sudo rmmod sensor_module
sudo rmmod bus_module

3.5 常见问题与避坑指南

掌握模块的加载、卸载、参数传递和依赖管理，是编写稳定、可维护的 Android 内核驱动的基础。下一阶段，我们将把这些知识应用到实际的 HAL 层与 Kernel 模块的联动通信中。