Android内核驱动开发基础 - 第4节

4.1 内核模块概念

Linux 内核是一个单体内核（Monolithic Kernel），但通过内核模块（Kernel Module）机制实现了动态扩展能力。内核模块是一段可以在运行时加载到内核或从内核卸载的代码，它使得内核功能可以按需添加，无需重新编译整个内核或重启系统。

4.1.1 模块与静态编译的对比

特性	内核模块（.ko）	静态编译（built-in）
加载方式	运行时动态加载/卸载	内核启动时自动包含
内核体积	按需加载，节省内存	所有功能常驻内存
开发调试	可独立编译、快速迭代	需重新编译整个内核
启动速度	不影响内核启动时间	增加内核镜像大小和加载时间
适用场景	驱动开发、文件系统、协议栈扩展	核心调度、内存管理、必须的驱动

4.1.2 模块的生命周期

一个内核模块从编写到运行经历以下阶段：

1. 编写源码——实现模块入口和出口函数。
2. 编译——通过 Makefile 生成 .ko 文件。
3. 加载——使用 insmod 将模块插入内核空间。
4. 运行——模块在内核态执行，注册设备、创建文件节点等。
5. 卸载——使用 rmmod 移除模块，释放资源。

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4.2 模块加载与卸载函数

每个内核模块必须实现两个核心函数：模块初始化函数和模块清理函数。它们分别对应模块加载和卸载时的回调。

4.2.1 标准函数原型

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

// 模块初始化函数（加载时调用）
static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Android Kernel Module loaded!\n");
    return 0;  // 返回0表示成功，负值表示失败
}

// 模块清理函数（卸载时调用）
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Android Kernel Module unloaded!\n");
}

// 注册入口和出口
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

// 模块信息声明（可选但推荐）
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Android kernel module example");

4.2.2 返回值与错误处理

返回值	含义	常见场景
0	加载成功	初始化正常完成
-ENOMEM	内存不足	kmalloc 分配失败
-EINVAL	参数无效	传入非法参数
-EBUSY	资源被占用	设备或中断号已被使用
-ENODEV	设备不存在	硬件未检测到

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4.3 Makefile 编写

内核模块的编译依赖内核源码树提供的 Kbuild 系统。标准的 Makefile 模板如下：

# 指定内核源码树路径（Android 交叉编译时需指向目标内核）
KERNEL_DIR ?= /path/to/android/kernel

# 当前模块名称
obj-m := hello_module.o

# 如果模块由多个源文件组成，使用如下格式：
# hello_module-objs := file1.o file2.o

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

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

# 安装模块到临时目录（可选）
install:
    $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules_install

4.3.1 Makefile 关键变量说明

变量/语法	作用	示例
obj-m	指定要编译为模块的目标文件	obj-m := mydrv.o
obj-y	指定静态编译进内核的目标	obj-y := core.o
-C $(KERNEL_DIR)	切换到内核源码目录读取顶层 Makefile	-C /kernel/msm-4.19
M=$(PWD)	告诉 Kbuild 返回当前目录编译模块	M=/home/user/module
modules	目标：编译所有 obj-m 指定的模块	make modules
modules_install	将编译好的 .ko 安装到 /lib/modules/	make modules_install

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4.4 insmod / lsmod / rmmod 命令

这三个命令是内核模块管理的基本工具，在 Android 设备上通常通过 adb shell 进入终端后执行。

4.4.1 命令详解

命令	功能	语法示例	注意事项
insmod	加载指定路径的 .ko 模块到内核	insmod /data/hello.ko	需要 root 权限；模块路径必须绝对或相对正确
lsmod	列出当前已加载的所有模块	lsmod	输出包含模块名、大小、被引用次数、依赖列表
rmmod	卸载指定名称的模块	rmmod hello_module	模块名不带 .ko 后缀；模块不能被其他模块引用

4.4.2 实际操作示例

# 1. 加载模块
console:/ $ su
console:/ # insmod /data/local/tmp/hello_module.ko

# 2. 查看模块是否加载成功
console:/ # lsmod | grep hello
hello_module 16384 0 - Live 0x0000000000000000 (O)

# 3. 查看内核日志确认初始化输出
console:/ # dmesg | tail
[ 1234.567890] Hello, Android Kernel Module loaded!

# 4. 卸载模块
console:/ # rmmod hello_module

# 5. 确认卸载
console:/ # lsmod | grep hello
(无输出，表示已卸载)

# 6. 查看卸载日志
console:/ # dmesg | tail
[ 1234.890123] Goodbye, Android Kernel Module unloaded!

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4.5 完整示例：从零编写一个 Android 内核模块

以下是一个完整的开发流程，包含源码、Makefile 和测试步骤。

4.5.1 项目文件结构

hello_module/
├── hello_module.c      # 模块源码
├── Makefile            # 编译脚本
└── README.md           # 说明文档（可选）

4.5.2 完整源码

// hello_module.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>       // 文件操作相关
#include <linux/uaccess.h>  // copy_to/from_user

#define DEVICE_NAME "hello_device"

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "[Hello] Module loaded, device name: %s\n", DEVICE_NAME);
    // 实际驱动中会在此注册字符设备、分配设备号等
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "[Hello] Module unloaded\n");
    // 实际驱动中会在此注销设备、释放资源
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Android Kernel Developer");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World Android Kernel Module");
MODULE_VERSION("1.0");

4.5.3 编译与测试步骤

1. 准备内核源码树：下载 Android 内核源码，执行 make defconfig 和 make modules_prepare。
2. 编译模块：make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-android- -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules
3. 推送模块到设备：adb push hello_module.ko /data/local/tmp/
4. 加载测试：adb shell su -c "insmod /data/local/tmp/hello_module.ko"
5. 验证：adb shell lsmod | grep hello 和 adb shell dmesg | tail
6. 卸载：adb shell su -c "rmmod hello_module"

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4.6 本章小结

• 内核模块是 Linux 内核动态扩展的核心机制，Android 驱动开发中广泛使用。
• module_init 和 module_exit 是模块的入口和出口，必须正确实现。
• Makefile 通过 Kbuild 系统编译模块，Android 交叉编译需指定 ARCH 和 CROSS_COMPILE。
• insmod / lsmod / rmmod 是模块管理三板斧，配合 dmesg 查看内核日志。
• 掌握本章内容后，即可开始编写和测试自己的第一个 Android 内核驱动模块。