2. 内核模块基础：模块的加载与卸载、module_init/module_exit宏、模块许可证与作者信息、模块参数传递

Linux 内核模块是设备驱动开发的核心载体。与用户态程序不同，内核模块可以在运行时动态加载到内核空间，无需重新编译整个内核或重启系统。本章将系统讲解内核模块的基本结构、生命周期管理、元信息声明以及参数传递机制，为后续中断处理和 DMA 传输打下坚实基础。

2.1 模块的加载与卸载

内核模块的生命周期由两个关键操作控制：加载（insmod）和卸载（rmmod）。加载时内核执行模块的初始化函数，完成资源申请、设备注册等准备工作；卸载时执行清理函数，释放已占用的资源。

下图展示了内核模块从加载到卸载的完整生命周期流程：

模块加载与卸载的常用命令如下表所示：

2.2 module_init / module_exit 宏

module_init() 和 module_exit() 是 Linux 内核提供的两个关键宏，用于向内核注册模块的入口和出口函数。这两个宏的定义位于 <linux/module.h> 头文件中。

下面是一个完整的最小内核模块示例，展示了这两个宏的标准用法：

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel Module Loaded!\n");
    return 0;  // 返回0表示初始化成功
}

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

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Expert <expert@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World kernel module");
MODULE_VERSION("1.0");

关键要点说明：

• __init 和 __exit 标记：__init 告诉内核该函数仅在初始化阶段使用，初始化完成后可以释放占用的内存；__exit 标记的函数在模块卸载时调用，如果模块被编译进内核（非模块方式），该函数会被忽略。
• 返回值约定：初始化函数返回 0 表示成功，返回负数（如 -ENOMEM、-EIO）表示失败，内核会根据返回值决定是否保留模块。
• printk 日志级别：KERN_INFO 是日志级别宏，用于控制消息的输出优先级，可通过 dmesg 命令查看。

下图展示了 module_init 和 module_exit 在内核中的注册与回调机制：

2.3 模块许可证与作者信息

Linux 内核要求所有模块声明其许可证信息，这是为了遵守 GNU GPL 协议。内核通过许可证信息决定是否允许模块使用某些 GPL-only 的符号（函数和变量）。

常用的模块元信息宏如下表所示：

使用 modinfo 命令可以查看已编译模块的元信息：

$ modinfo hello.ko
filename:       /home/user/hello.ko
license:        GPL
author:         Embedded Expert <expert@example.com>
description:    A simple Hello World kernel module
version:        1.0
depends:        
retpoline:      Y
name:           hello
vermagic:       5.15.0-generic SMP mod_unload modversions

2.4 模块参数传递

内核模块支持在加载时通过命令行参数传递配置值，这使得模块具有更好的灵活性和可配置性。模块参数使用 module_param() 和 module_param_array() 宏声明。

参数声明的基本语法如下：

#include <linux/moduleparam.h>

// 声明一个整型参数
static int irq_num = 10;
module_param(irq_num, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(irq_num, "IRQ number for the device");

// 声明一个字符串参数
static char *device_name = "my_device";
module_param(device_name, charp, 0644);
MODULE_PARM_DESC(device_name, "Device name string");

// 声明一个整型数组参数
static int dma_channels[4] = {0, 1, 2, 3};
static int num_channels = 4;
module_param_array(dma_channels, int, &num_channels, 0644);
MODULE_PARM_DESC(dma_channels, "DMA channel numbers array");

参数类型与对应的加载方式如下表所示：

参数权限位（上述示例中的 0644）控制参数在 sysfs 文件系统中的可见性和可写性：

• 0：参数完全不在 sysfs 中暴露，用户空间不可见。
• 0444：参数在 sysfs 中只读可见。
• 0644：参数在 sysfs 中可读，root 用户可写（运行时修改）。

下图展示了模块参数从用户空间传递到内核模块的完整路径：

2.5 完整示例：带参数的可配置模块

下面是一个综合示例，将本章所学的所有知识点整合在一起：

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

// 模块参数
static int irq = 10;
static char *name = "default_dev";
static int buffer_size = 1024;

module_param(irq, int, 0644);
module_param(name, charp, 0644);
module_param(buffer_size, int, 0444);

MODULE_PARM_DESC(irq, "IRQ number (default: 10)");
MODULE_PARM_DESC(name, "Device name string (default: default_dev)");
MODULE_PARM_DESC(buffer_size, "DMA buffer size in bytes (default: 1024)");

static int __init configurable_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Configurable Module Loaded\n");
    printk(KERN_INFO "  IRQ: %d\n", irq);
    printk(KERN_INFO "  Device: %s\n", name);
    printk(KERN_INFO "  Buffer: %d bytes\n", buffer_size);
    return 0;
}

static void __exit configurable_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Configurable Module Unloaded\n");
}

module_init(configurable_init);
module_exit(configurable_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Expert <expert@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("Configurable module with parameters");
MODULE_VERSION("2.0");

加载测试：

# 使用默认参数加载
sudo insmod configurable.ko

# 使用自定义参数加载
sudo insmod configurable.ko irq=33 name="spi_dev" buffer_size=4096

# 查看参数值
cat /sys/module/configurable/parameters/irq
cat /sys/module/configurable/parameters/name

# 运行时修改参数（需 root 权限）
echo 44 | sudo tee /sys/module/configurable/parameters/irq