📚 课程目录第3章内核模块基础

3. 内核模块基础：模块概念、模块加载与卸载、模块参数传递、模块依赖与符号导出

Linux 内核是一个单体内核（Monolithic Kernel），但通过内核模块（Loadable Kernel Module, LKM）机制实现了动态扩展能力。模块是可以在运行时独立加载到内核或从内核卸载的代码段，无需重新编译整个内核或重启系统。本章深入剖析模块的完整生命周期、参数化配置、依赖管理以及符号导出规则，为后续 GPIO 驱动开发奠定基础。

  核心要点：模块机制是嵌入式 Linux 驱动开发的基础设施。理解模块的加载/卸载流程、参数传递方式以及符号导出规则，是编写可维护、可配置驱动程序的必备技能。

3.1 模块概念与生命周期

内核模块本质上是一个目标文件（.ko），包含初始化函数、清理函数以及可选的导出符号。模块的生命周期分为四个阶段：加载 → 初始化 → 运行 → 卸载。

提示：模块的 init 函数返回 0 表示成功，返回负数表示失败。内核会记录模块的引用计数，当引用计数不为 0 时，rmmod 操作会被拒绝。

3.2 模块加载与卸载

模块的加载与卸载通过用户空间工具 insmod、rmmod、modprobe 完成，内核则通过系统调用 init_module() 和 delete_module() 实现底层操作。

3.2.1 加载流程

insmod 读取 .ko 文件到用户空间缓冲区。
调用 init_module() 系统调用，将模块代码复制到内核空间。
内核执行模块重定位，解析未定义符号。
调用模块的 module_init() 指定的初始化函数。
初始化成功则模块进入运行状态，失败则回滚并释放资源。

3.2.2 卸载流程

rmmod 调用 delete_module() 系统调用。
内核检查模块引用计数是否为 0。
调用模块的 module_exit() 指定的清理函数。
释放模块占用的内核内存。

3.2.3 基础模块示例

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, GPIO Module loaded!\n");
    return 0;
}

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

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Driver Expert");
MODULE_DESCRIPTION("A simple GPIO demo module");

注意：__init 和 __exit 标记告诉内核，初始化函数在调用后可以释放内存，清理函数在模块内置时可以不编译。这有助于减少内核映像大小。

3.3 模块参数传递

模块参数允许在加载时向模块传递配置值，无需修改代码即可调整驱动行为。参数通过 module_param() 宏声明，支持多种数据类型。

3.3.1 参数声明宏

宏	数据类型	示例	说明
`module_param(name, type, perm)`	int, long, charp, bool 等	`module_param(gpio_num, int, 0644)`	基本类型参数
`module_param_array(name, type, nump, perm)`	数组	`module_param_array(pins, int, &count, 0444)`	数组类型参数
`module_param_string(name, string, len, perm)`	字符串	`module_param_string(dev_name, buf, 32, 0)`	字符串参数

3.3.2 参数权限位

perm 参数控制参数在 /sys/module/<module_name>/parameters/ 下的文件权限：

0：参数不在 sysfs 中显示，仅加载时可用。
0444：只读，所有用户可查看。
0644：所有者可读写，其他用户只读。

3.3.3 带参数的模块示例

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

static int gpio_pin = 17;          // 默认 GPIO 17
static char *gpio_label = "LED";   // 默认标签
static int gpio_pins[4];           // 数组参数
static int gpio_count;

module_param(gpio_pin, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(gpio_pin, "GPIO pin number (default: 17)");
module_param(gpio_label, charp, 0444);
MODULE_PARM_DESC(gpio_label, "GPIO label string");
module_param_array(gpio_pins, int, &gpio_count, 0444);
MODULE_PARM_DESC(gpio_pins, "Array of GPIO pins");

static int __init param_demo_init(void)
{
    int i;
    printk(KERN_INFO "GPIO pin: %d\n", gpio_pin);
    printk(KERN_INFO "GPIO label: %s\n", gpio_label);
    printk(KERN_INFO "GPIO count: %d\n", gpio_count);
    for (i = 0; i < gpio_count; i++)
        printk(KERN_INFO "  pin[%d] = %d\n", i, gpio_pins[i]);
    return 0;
}

static void __exit param_demo_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Param demo module unloaded\n");
}

module_init(param_demo_init);
module_exit(param_demo_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

加载时传递参数：

sudo insmod param_demo.ko gpio_pin=23 gpio_label="BUZZER" gpio_pins=10,11,12,13

3.4 模块依赖与符号导出

模块之间可以存在依赖关系：一个模块可以导出符号（函数或变量），供其他模块使用。内核通过 EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 宏控制符号的可见性。

3.4.1 符号导出宏

宏	可见范围	使用场景
`EXPORT_SYMBOL(func)`	所有模块（包括非 GPL 模块）	通用接口，如 GPIO 库函数
`EXPORT_SYMBOL_GPL(func)`	仅 GPL 许可的模块	内核核心接口，保护知识产权

3.4.2 模块依赖管理

当模块 B 使用了模块 A 导出的符号时，模块 B 依赖于模块 A。加载时必须先加载 A，再加载 B。卸载时顺序相反。

// 模块 A：gpio_core.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/gpio.h>

int gpio_core_set_value(int pin, int value)
{
    // 实际 GPIO 操作
    gpio_set_value(pin, value);
    return 0;
}
EXPORT_SYMBOL(gpio_core_set_value);

static int __init core_init(void) { return 0; }
static void __exit core_exit(void) {}
module_init(core_init);
module_exit(core_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

// 模块 B：gpio_user.c
extern int gpio_core_set_value(int pin, int value);

static int __init user_init(void)
{
    gpio_core_set_value(17, 1);  // 使用模块 A 导出的函数
    return 0;
}
module_init(user_init);
MODULE_LICENSE("GPL");

3.4.3 查看模块依赖

使用 modinfo 和 lsmod 查看模块依赖关系：

# 查看模块信息
modinfo gpio_core.ko
# 输出示例：
# filename:       gpio_core.ko
# license:        GPL
# depends:        
# vermagic:       5.10.0-rc7+

modinfo gpio_user.ko
# 输出示例：
# filename:       gpio_user.ko
# license:        GPL
# depends:        gpio_core
# vermagic:       5.10.0-rc7+

# 查看已加载模块的依赖树
lsmod | grep gpio
# gpio_user              16384  0
# gpio_core              20480  1 gpio_user

3.5 模块工具与调试

掌握以下工具链，可以高效管理模块生命周期：

工具	功能	常用选项
`insmod`	加载模块	`insmod module.ko [param=value]`
`rmmod`	卸载模块	`rmmod module_name`
`modprobe`	智能加载/卸载（自动处理依赖）	`modprobe -r module_name`（卸载）
`lsmod`	列出已加载模块	显示模块名、大小、被谁使用
`modinfo`	查看模块信息	`modinfo module.ko`
`depmod`	生成模块依赖文件	`depmod -a`

调试技巧：使用 dmesg 查看模块的 printk 输出。在开发阶段，建议将模块参数 perm 设为 0，避免 sysfs 暴露内部配置；调试完成后根据需要调整权限。

3.6 本章小结

内核模块是 Linux 驱动开发的基石。通过本章学习，你应掌握：

模块的生命周期：加载 → 初始化 → 运行 → 卸载。
module_init() 和 module_exit() 的正确使用。
module_param() 系列宏实现灵活的运行时配置。
EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 控制符号可见性。
使用 modprobe/depmod 管理模块依赖。