Разработка ядра Linux - Роберт Лав

На основании материала последних нескольких глав вы получили устойчивое представление о том, как выполняется управление памятью и файловыми системами. Теперь давайте перейдем к теме модулей и посмотрим, ядро Linux обеспечивает модульную и динамическую инфраструктуру для загрузки кода ядра во время работы системы.

Глава 16

Модули

Несмотря на то что ядро является монолитным, в том смысле что все ядро выполняется в общем защищенном адресном домене, ядро Linux также является модульным, что позволяет выполнять динамическую вставку и удаление кода ядра в процессе работы системы. Соответствующие подпрограммы, данные, а также точки входа и выхода группируются в общий бинарный образ, загружаемый объект ядра, который называется модулем. Поддержка модулей позволяет системам иметь минимальное базовое ядро с опциональными возможностями и драйверами, которые компилируются в качестве модулей. Модули также позволяют просто удалять и перегружать код ядра, что помогает при отладке, а также дает возможность загружать драйверы по необходимости в ответ на появление новых устройств с функциями горячего подключения.

В этой главе рассказывается о хитростях, которые стоят за поддержкой модулей в ядре, и о том, как написать свой собственный модуль.

Модуль "Hello, World!"

В отличие от разработки основных подсистем ядра, большинство из которых были уже рассмотрено, разработка модулей подобна созданию новой прикладной программы, по крайней мере в том, что модули имеют точку входа, точку выхода и находятся каждый в своем бинарном файле.

Может показаться банальным, но иметь возможность написать программу, которая выводит сообщение "Hello World!", и не сделать этого- просто смешно. Итак, леди и джентльмены, модуль "Hello, World!".

/*

* hello.c - модуль ядра Hello, World!

*/

#include <linux/init.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

/*

* hello_init - функция инициализации, вызывается при загрузке модуля,

* В случае успешной загрузки модуля возвращает значение нуль,

* и ненулевое значение в противном случае.

*/

static int hello_init(void) {

 printk(KERN_ALERT "I bear a charmed life.n");

 return 0;

}

/*

* hello_exit - функция завершения, вызывается при выгрузке модуля.

*/

static void hello_exit(void) {

 printk(KERN_ALERT "Out, out, brief candle!n");

}

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE{"GPL");

MODULE_AUTHOR("Shakespeare");

Это самый простой модуль ядра, который только может быть. Функция hello_init() регистрируется с помощью макроса module_init() в качестве точки входа в модуль. Она вызывается ядром при загрузке модуля. Вызов module_init() — это не вызов функции, а макрос, который устанавливает значение своего параметра в качестве функции инициализации. Все функции инициализации должны соответствовать следующему прототипу.

int my_init(void);

Так как функция инициализации редко вызывается за пределами модуля, ее обычно не нужно экспортировать и можно объявить с ключевым словом static.

Функции инициализации возвращают значение тина int. Если инициализация (или то, что делает функция инициализации) прошла успешно, то функция должна возвратить значение нуль. В случае ошибки возвращается ненулевое значение.

В данном случае эта функция просто печатает сообщение и возвращает значение нуль. В настоящих модулях функция инициализации регистрирует ресурсы, выделяет структуры данных и т.д. Даже если рассматриваемый файл будет статически скомпилирован с ядром, то функция инициализации останется и будет вызвана при загрузке ядра.

Функция hello_exit() регистрируется в качестве точки выхода из модуля с помощью макроса module_exit(). Ядро вызывает функцию hello_exit(), когда модуль удаляется из памяти. Завершающая функция должна выполнить очистку ресурсов, гарантировать, что аппаратное обеспечение находится в непротиворечивом состоянии, и т.д. После того как эта функция завершается, модуль выгружается.

Завершающая функция должна соответствовать следующему прототипу.

void my_exit(void);

Так же как и в случае функции инициализации, ее можно объявить как static.

Если этот файл будет статически скомпилирован с образом ядра, то данная функция не будет включена в образ и никогда не будет вызвана (так как если нет модуля, то код никогда не может быть удален из памяти).

Макрос MODULE_LICENSE() позволяет указать лицензию на право копирования модуля. Загрузка в память модуля, для которого лицензия не соответствует GPL, приведет к установке в ядре флага tainted (буквально, испорченное). Этот флаг служит для информационных целей, кроме того, многие разработчики уделяют меньше внимания сообщениям об ошибках, в которых указан этот флаг. Более того, модули, у которых лицензия не соответствует GPL, не могут использовать символы, которые служат "только для GPL" (см. раздел "Экспортируемые символы" ниже в этой главе).

Наконец, макрос MODULE_AUTHOR() позволяет указать автора модуля. Значение этого макроса служит только для информационных целей.

Сборка модулей

Благодаря новой системе сборки "kbuild", в ядрах серии 2.6 сборка модулей выполняется значительно проще, чем в старых сериях. Первое, что нужно сделать при сборке модулей, — это решить, где будет находиться исходный код модуля. Исходный код модуля необходимо правильно объединить с деревом исходных кодов ядра. Это можно сделать в виде заплаты или путем добавления в официальное дерево исходного кода ядра. Кроме этого, можно компилировать исходный код модуля отдельно от исходных кодов ядра.

Использование дерева каталогов исходных кодов ядра

В идеале модуль является частью официального ядра и находится в каталоге исходных кодов ядра. Введение вашей разработки непосредственно в ядро может вначале потребовать больше работы, но обычно такое решение более предпочтительно.

На первом этапе необходимо решить, где именно будет находиться модуль в дереве исходных кодов ядра. Драйверы необходимо хранить в подкаталогах каталога drivers/, который находится в корне дерева исходных кодов ядра. Внутри этого каталога драйверы делятся на классы, типы и собственно на отдельные драйверы. Символьные устройства находятся в каталоге drivers/char/, блочные — в каталоге drivers/block/, устройства USB — в каталоге drivers/usb/. Эти правила не есть жесткими, так как многие устройства USB также являются и символьными устройствами. Но такая организация является понятной и четкой.

Допустим, что вы хотите создать свой подкаталог и ваш воображаемый драйвер разработан для удочки с числовым программным управлением, которая имеет интерфейс Fish Master XL 2000 Titanium для подключения к компьютеру. Следовательно, необходимо создать подкаталог fishing внутри каталога drivers/char/.

После этого необходимо добавить новую строку в файл Makefile, который находится в каталоге drivers/char/. Для этого отредактируйте файл drivers/char/Makefile и добавьте в него следующую запись.

obj-m += fishing/

Эта строка указывает системе компиляции, что необходимо войти в подкаталог fishing/ при компиляции модулей. Скорее всего, компиляция драйвера определяется отдельным конфигурационным параметром, например, CONFIG_FISHING_POLE (как создавать новые конфигурационные параметры, рассмотрено ниже в этой главе в разделе "Управление конфигурационными параметрами"). В этом случае необходимо добавить строку следующего вида.

obj-$(CONFIG_FISHING_POLE) += fishing/

И наконец, в каталоге drivers/char/fishing необходимо добавить новый файл Makefile, содержащий следующую строку.

obj-m += fishing.o

При таких настройках система компиляции перейдет в каталог fishing/ и скомпилирует модуль fishing.ko из исходного файла fishing.c. Да, расширение объектного файла указано как .o, но в результате будет создан модуль с расширением .ko.

И снова, скорее всего, факт компиляции модуля будет зависеть от конфигурационного параметра, в таком случае в Makefile необходимо добавить следующую строку.

obj-$(CONFIG_FISHING_POLE) += fishing.o

Однажды драйвер удочки может стать очень сложным. Введение функции автодетектирования наличия лески может привести к тому, что модуль станет очень большим и теперь будет занимать больше одного файла исходного кода. Никаких проблем! Просто нужно внести в Makefile следующую запись.

obj-$(CONFIG_FISHING_POLE) += fishing.o

fishing-objs := fishing-main.o fishing-line.o

В последнем случае будут скомпилированы файлы fishing-main.c и fishing-line.c и скомпонованы в файл модуля fishing.ko.