2. Linux 内核模块基础

Linux 内核采用宏内核架构，但通过内核模块（Loadable Kernel Module, LKM）机制实现了运行时的动态扩展能力。在嵌入式 ARM Linux 驱动开发中，绝大多数设备驱动、文件系统和协议栈都以模块形式存在。理解模块的加载/卸载、参数传递和依赖管理，是编写可维护、可移植 HAL 适配层的前提。

2.1 模块概念与生命周期

内核模块是一段可以在内核空间独立编译、独立加载和卸载的目标代码（.ko 文件）。与直接编译进内核（built-in）相比，模块化具有以下优势：

• 按需加载：仅在硬件存在或功能被使用时才加载，节省内存和启动时间。
• 快速迭代：驱动开发阶段无需反复编译整个内核和重启系统。
• 热插拔支持：配合 udev 或 mdev，在设备插入/移除时自动加载/卸载对应模块。
• 版本隔离：模块与内核通过 modversions 机制校验符号版本，避免 ABI 不兼容。

一个标准内核模块的入口和出口由两个宏声明：

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

static int __init my_driver_init(void)
{
    pr_info("My HAL driver loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit my_driver_exit(void)
{
    pr_info("My HAL driver unloaded\n");
}

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded HAL Team");
MODULE_DESCRIPTION("Sample HAL adapter for ARM platform");

模块的生命周期分为四个阶段：编译 → 加载 → 运行 → 卸载。下图展示了模块从用户空间到内核空间的完整流程：

2.2 模块加载与卸载

Linux 提供两组工具用于模块管理：传统工具（insmod、rmmod、lsmod）和依赖感知工具（modprobe、modinfo）。在嵌入式 ARM 系统中，modprobe 是推荐方式，因为它会自动解析并加载依赖模块。

2.3 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，无需重新编译。这对于 HAL 适配层非常有用——例如在加载 I2C 触摸屏驱动时，动态指定中断引脚或 I2C 地址。

参数使用 module_param() 和 module_param_array() 宏声明：

#include <linux/moduleparam.h>

static int irq_num = 100;           // 默认中断号
static char *i2c_bus = "i2c-1";    // 默认 I2C 总线
static int gpio_pins[4] = {0};     // GPIO 引脚数组
static int gpio_count = 0;         // 数组实际元素个数

module_param(irq_num, int, 0644);
module_param(i2c_bus, charp, 0644);
module_param_array(gpio_pins, int, &gpio_count, 0644);

MODULE_PARM_DESC(irq_num, "IRQ number for HAL device");
MODULE_PARM_DESC(i2c_bus, "I2C bus name (e.g. i2c-0, i2c-1)");
MODULE_PARM_DESC(gpio_pins, "GPIO pin list (up to 4 pins)");

加载时传递参数：

# 传递标量参数
insmod hal_touch.ko irq_num=42 i2c_bus="i2c-0"

# 传递数组参数
insmod hal_touch.ko gpio_pins=17,22,25

# 使用 modprobe 传递参数（语法相同）
modprobe hal_touch irq_num=42

参数权限位（如 0644）控制 /sys/module/<name>/parameters/ 下的文件权限，允许运行时通过 sysfs 查看或修改参数值。

2.4 模块依赖关系

模块依赖是 Linux 内核模块管理的核心机制。当一个模块调用另一个模块导出的符号（函数或变量）时，就形成了依赖关系。依赖关系通过 EXPORT_SYMBOL 和 EXPORT_SYMBOL_GPL 宏建立。

典型的 HAL 驱动依赖链示例：

// i2c_core.c — 导出 I2C 核心函数
#include <linux/module.h>
#include <linux/i2c.h>

int i2c_master_send(struct i2c_client *client, const char *buf, int count)
{
    // ... 实现
}
EXPORT_SYMBOL(i2c_master_send);

// hal_touch.c — 依赖 i2c_core 模块
#include <linux/module.h>
#include <linux/i2c.h>

static int touch_probe(struct i2c_client *client)
{
    char cmd[] = {0x01, 0x00};
    i2c_master_send(client, cmd, 2);  // 调用导出符号
    return 0;
}

依赖关系在编译时由 depmod 工具分析并记录在 modules.dep 文件中。加载 hal_touch 时，modprobe 会先加载 i2c_core，再加载 hal_touch。

查看依赖关系的常用命令：

# 查看模块详细信息（包含依赖）
modinfo hal_touch.ko

# 查看已加载模块的依赖关系
lsmod

# 手动查看依赖文件
cat /lib/modules/$(uname -r)/modules.dep | grep hal_touch

2.5 模块信息与许可证

每个内核模块应包含元数据描述，这些信息通过 MODULE_* 宏声明，并可通过 modinfo 命令查看：

MODULE_LICENSE("GPL");              // 必须：影响符号导出范围
MODULE_AUTHOR("HAL Team <hal@arm.com>");
MODULE_DESCRIPTION("HAL adapter for ARM SPI touch controller");
MODULE_VERSION("1.2.0");
MODULE_ALIAS("platform:hal-spi-touch");  // 用于自动加载的别名

许可证选择直接影响 EXPORT_SYMBOL_GPL 导出的符号是否可用。在商业嵌入式项目中，如果 HAL 层使用 GPL 许可证，则整个驱动栈必须开源；若使用 MODULE_LICENSE("Proprietary")，则无法调用 GPL-only 的内核符号。