9 Linux内核模块设计

Linux操作系统的内核设计分析Linux操作系统作为开源操作系统的代表，已经在各个领域得到了广泛应用。

而Linux操作系统的内核则是这个系统之所以能够运转的关键所在。

本文将就Linux操作系统的内核设计进行分析，并探讨其优劣之处。

一、Linux内核设计的基础Linux内核的设计基础主要包括以下几个方面：1. 开放源码Linux内核采用的是GPL协议，这意味着它是一个开放源码的项目。

这为世界各地的开发人员提供了极大的便利，方便他们进行开发和修改。

同时，这也确保了Linux内核的透明度，并且鼓励开发者贡献代码的同时，深度参与到Linux开源社区的构建和升级中。

2. 模块化Linux内核的构造采用的是模块化设计。

这种设计方式将内核代码分成独立的模块，每个模块都可以独立编译、加载和卸载。

采用模块化的设计，能够使得开发人员能够更加细致地打包、编译、并部署只包含他们需要的模块的系统。

3. 多任务Linux内核是一个基于多任务设计的系统。

这意味着它能够使得多个程序同时运行，并能够平滑高效地进行任务的切换。

这给开发人员提供了各种各样的自由，使得他们能够更加高效地进行开发。

4. 支持众多处理器架构Linux内核的支持范围非常广泛，它可以适配众多处理器架构。

这意味着一个制造商可以使用不同的处理器架构去生产设备，并且这些设备都能够安装和运行Linux操作系统。

5. 外层调用接口Linux内核支持开放式的外层调用接口。

这使得用户层可以很容易地调用Linux 内核执行某个任务。

这些用户层应用包括网上购物网站、应用程序和各种驱动程序。

6. 子系统Linux内核的子系统主要包括进程管理、内存管理、I/O管理和网络管理等。

二、Linux内核的优点Linux内核具有以下主要优点：1. 开源性Linux内核本身是一个开源的、由社区驱动的项目。

这意味着在它的附加组件和周边产品中，广大的开发者社区都可以为用户提供帮助和支持。

2. 安全性相比其他闭源操作系统，Linux内核在安全性方面更具优势。

Linux设备驱动程序原理及框架-内核模块入门篇内核模块介绍应用层加载模块操作过程内核如何支持可安装模块内核提供的接口及作用模块实例内核模块内核模块介绍Linux采用的是整体式的内核结构，这种结构采用的是整体式的内核结构，采用的是整体式的内核结构的内核一般不能动态的增加新的功能。

为此，的内核一般不能动态的增加新的功能。

为此，Linux提供了一种全新的机制，叫(可安装) 提供了一种全新的机制，可安装) 提供了一种全新的机制模块” )。

利用这个机制“模块”(module)。

利用这个机制，可以)。

利用这个机制，根据需要，根据需要，在不必对内核重新编译链接的条件将可安装模块动态的插入运行中的内核，下，将可安装模块动态的插入运行中的内核，成为内核的一个有机组成部分；成为内核的一个有机组成部分；或者从内核移走已经安装的模块。

正是这种机制，走已经安装的模块。

正是这种机制，使得内核的内存映像保持最小，的内存映像保持最小，但却具有很大的灵活性和可扩充性。

和可扩充性。

内核模块内核模块介绍可安装模块是可以在系统运行时动态地安装和卸载的内核软件。

严格来说，卸载的内核软件。

严格来说，这种软件的作用并不限于设备驱动，并不限于设备驱动，例如有些文件系统就是以可安装模块的形式实现的。

但是，另一方面，可安装模块的形式实现的。

但是，另一方面，它主要用来实现设备驱动程序或者与设备驱动密切相关的部分(如文件系统等)。

密切相关的部分(如文件系统等)。

课程内容内核模块介绍应用层加载模块操作过程内核如何支持可安装模块内核提供的接口及作用模块实例内核模块应用层加载模块操作过程内核引导的过程中，会识别出所有已经安装的硬件设备，内核引导的过程中，会识别出所有已经安装的硬件设备，并且创建好该系统中的硬件设备的列表树：文件系统。

且创建好该系统中的硬件设备的列表树：/sys 文件系统。

(udev 服务就是通过读取该文件系统内容来创建必要的设备文件的。

)。

linux module的用法
Linux模块是一种可以动态加载到Linux内核中以扩展其功能的软件组件。

它们通常用于添加新的驱动程序、文件系统或其他内核功能。

下面我将从多个角度来介绍Linux模块的用法。

首先，要编写一个Linux模块，你需要具备一定的C语言编程知识。

一个基本的Linux模块包括初始化函数和清理函数。

初始化函数在模块加载时被调用，而清理函数在模块被卸载时被调用。

你需要使用特定的宏和数据结构来定义模块的初始化和清理函数，以及模块的许可证和作者信息。

其次，编译模块需要使用Linux内核源代码中的构建系统。

你需要确保已经安装了正确版本的内核头文件和构建工具。

然后，你可以编写一个Makefile来编译你的模块。

在Makefile中，你需要指定内核源代码的路径，并使用特定的命令来编译模块。

一旦你编译好了你的模块，你可以使用insmod命令将其加载到内核中。

加载模块后，你可以使用lsmod命令来查看已加载的模块列表。

你还可以使用modinfo命令来查看模块的信息，包括作者、描述和许可证等。

当你不再需要模块时，你可以使用rmmod命令将其从内核中卸载。

卸载模块后，你可以使用dmesg命令来查看内核日志，以确保
模块已经成功卸载。

总的来说，Linux模块的用法涉及到编写模块代码、编译模块、加载模块以及卸载模块等步骤。

掌握了这些基本的用法，你就可以
开始开发自己的Linux内核模块了。

希望这些信息能够帮助你更好
地理解Linux模块的用法。

实验名称实验一Linux操作系统定制安装实验地点博学楼实验时间4月16日网络实验室一、实验目的和要求⑴通过对Linux 操作系统的定制安装，建立对Linux操作系统的初步认识，为后续实验的进行提供基础平台。

⑵掌握Linux操作系统的虚拟机定制安装。

⑶熟悉Linux文件目录结构二、实验内容和原理实验内容：利用虚拟机软件定制安装Linux操作系统，熟悉安装过程中各个选项的意义。

实验原理：虚拟机可以说是一种软件，也可以说是一种技术，它允许用户在一台主机上虚拟出多台计算机，每台虚拟的计算机都可以有自己的硬件及软件配置。

三、主要仪器设备PC机、VMware Player、Redhat/Ubuntu/Fedora四、操作方法与实验步骤⑴安装VMware Player⑵在VMware Player当中创建一个新的虚拟机，指定安装包的路径。

⑶安装定制Redhat Enterprise Linux 5.0说明：⑴对软件开发和和网络服务包进行定制。

⑵选择samba服务、nfs服务、tftp服务、Telnet服务和FTP服务⑶关闭系统防火墙、禁用SELinux服务。

⑷手动设置系统分区。

五、实验数据记录和处理1、安装Ubuntu进入界面：2、选择tftp服务3、对软件开发和网络服务包进行定制，都选择老的软件开发和老的网络服务器4、关闭系统防火网5、禁用SELinux服务六、实验结果与分析七、讨论、心得通过这次实验，在自己电脑的虚拟机上安装好了Ubuntu的镜像文件，并在Ubuntu下写了一些简单的命令，深深地感觉在虚拟机上运行Ubuntu远远要比双系统下方便得多，尤其是在两种不同系统下来回切换。

由于电脑上之前就已经安装过虚拟机，所以，实验报告中未对虚拟机的安装加以赘述。

实验名称实验二熟悉Linux系统的基本命令实验时间4月18日实验地点博学楼网络实验室一、实验目的和要求⑴熟悉Linux命令格式⑵学会如何获取命令帮助信息⑶熟练掌握Linux常用命令⑷掌握GCC命令的使用及其常用参数的含义二、实验内容和原理实验内容：系统设置命令、文件及文件夹操作命令、压缩与解压缩命令、自动补全与历史命令、管道与重定向命令、GCC命令的使用三、主要仪器设备PC机、装有Linux操作系统的虚拟机四、操作方法与实验步骤⑴练习以下常用命令的使用shutdown、reboot、logout、exit、useradd、userdel、su、cd、ls、touch、mkdir、cp、rm、rmdir、mv、more、less、man、du、find、clear、grep、cat、history、tar、unzip、chmod、管道命令|以及重定向命令⑵举例说明管道命令| 的使用⑶举例说明重定向命令<、<<、>、>>的使用⑷编写一个C的源程序，并用gcc进行编译，练习使用gcc的各个参数，理解参数的意义五、实验数据记录和处理1.cd、ls 、mkdir 新建hello文件夹2.cp 复制a到hello文件夹3.rm移除hello 中的a文件4.rmdir移除hello文件夹5.mv更改文件名字、移动文件6.du -b 以字节为单位显示cache目录的大小7.find / -name lolo搜索当前目录下名为lolo的文件8.grep 在lan/b.txt文件里查找字符3，并输出行号-n；输出b.txt内容9.grep重定向追加>>六、讨论、心得本次实验室是熟悉Linux的基本操作命令。

linux系统结构框架
Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。

内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。

1.内核：内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。

2.Shell：shell是命令行解释器，可以为用户提供对系统的访问，也可以被用作程序或者脚本的命令行环境。

有多种shell可以选择，比如bash,zsh,ksh等。

3.文件系统：Linux系统使用一个基于文件的层级结构来组织和存储系统资源。

每个文件和目录都从根目录“/”开始，然后层层嵌套。

4.应用程序：Linux系统上可以运行各种应用程序，包括文本编辑器、浏览器、开发工具等。

应用程序为用户提供了使用系统的接口。

在更细致的层次结构上，Linux系统的内存管理分为几个主要组件，包括物理内存管理、虚拟内存管理以及内核内存管理等。

物理内存管理负责物理内存的分配和回收，虚拟内存管理则将物理内存映射到虚拟地址空间，并实现内存的共享和保护。

内核内存管理则负责内核空间的分配和释放，以及内核页面的交换等。

linux分层设计体系结构Linux是一种开源的操作系统，其设计采用了分层的体系结构。

这种设计使得Linux具有高度的灵活性和可扩展性，同时也方便了系统的维护和管理。

本文将详细介绍Linux的分层设计体系结构。

在Linux的分层设计中，最底层是硬件层。

硬件层包括计算机的各种硬件设备，如处理器、内存、硬盘、网络接口等。

Linux通过设备驱动程序来管理和控制这些硬件设备，使其能够与操作系统进行交互。

在硬件层之上是内核层。

内核是操作系统的核心，负责管理系统的资源和提供各种系统服务。

Linux的内核是一个单独的模块，可以独立于其他软件进行开发和维护。

内核提供了各种系统调用接口，以及对进程、文件系统、网络和设备的管理和控制功能。

在内核层之上是库层。

库是一组共享的代码和函数，可以为应用程序提供常用的功能和服务。

Linux提供了许多不同的库，如C库、数学库、网络库等。

这些库可以被开发人员用来开发应用程序，提高开发效率和代码复用性。

在库层之上是应用层。

应用层包括各种应用程序和工具，如文本编辑器、图形界面、网络浏览器等。

这些应用程序可以通过系统调用接口与内核进行交互，并利用库提供的功能来实现各种任务和操作。

除了以上四个层次外，Linux还有其他一些重要的组件和模块。

例如，系统初始化和启动过程中，会加载引导程序和初始化程序；文件系统是用来组织和管理文件和目录的；网络协议栈是用来实现网络通信的；系统服务是用来提供各种系统功能和服务的。

这些组件和模块与其他层次之间相互关联，共同构成了Linux的完整体系结构。

Linux的分层设计体系结构具有许多优点。

首先，分层设计使得系统的各个组件和模块之间相互独立，可以分别进行开发、测试和维护，提高了开发和维护效率。

其次，分层设计使得系统的各个层次之间的接口清晰明确，方便了系统的扩展和升级。

此外，分层设计还提高了系统的稳定性和可靠性，一旦某个层次出现问题，不会对其他层次造成影响。

Linux的分层设计体系结构是一种高效、灵活和可扩展的设计方式。

Linux内核模块开发（简单）Linux系统为应⽤程序提供了功能强⼤且容易扩展的API，但在某些情况下，这还远远不够。

与硬件交互或进⾏需要访问系统中特权信息的操作时，就需要⼀个内核模块。

Linux内核模块是⼀段编译后的⼆进制代码，直接插⼊Linux内核中，在 Ring 0（x86–64处理器中执⾏最低和受保护程度最低的执⾏环）上运⾏。

这⾥的代码完全不受检查，但是运⾏速度很快，可以访问系统中的所有内容。

Intel x86架构使⽤了4个级别来标明不同的特权级。

Ring 0实际就是内核态，拥有最⾼权限。

⽽⼀般应⽤程序处于Ring 3状态--⽤户态。

在Linux中，还存在Ring 1和Ring 2两个级别，⼀般归属驱动程序的级别。

在Windows平台没有Ring 1和Ring 2两个级别，只⽤Ring 0内核态和Ring 3⽤户态。

在权限约束上，⾼特权等级状态可以阅读低特权等级状态的数据，例如进程上下⽂、代码、数据等等，但反之则不可。

Ring 0最⾼可以读取Ring 0-3所有的内容，Ring 1可以读Ring 1-3的，Ring 2以此类推，Ring 3只能读⾃⼰的数据。

1. 为什么要开发内核模块编写Linux内核模块并不是因为内核太庞⼤⽽不敢修改。

直接修改内核源码会导致很多问题，例如：通过更改内核，你将⾯临数据丢失和系统损坏的风险。

内核代码没有常规Linux应⽤程序所拥有的安全防护机制，如果内核发⽣故障，将锁死整个系统。

更糟糕的是，当你修改内核并导致错误后，可能不会⽴即表现出来。

如果模块发⽣错误，在其加载时就锁定系统是最好的选择，如果不锁定，当你向模块中添加更多代码时，你将会⾯临失控循环和内存泄漏的风险，如果不⼩⼼，它们会随着计算机继续运⾏⽽持续增长，最终，关键的存储器结构甚⾄缓冲区都可能被覆盖。

编写内核模块时，基本是可以丢弃传统的应⽤程序开发范例。

除了加载和卸载模块之外，你还需要编写响应系统事件的代码（⽽不是按顺序模式执⾏的代码）。

⼯作模式⼯作性质层次权限影响竞态运⾏⽅式应⽤程序USR 模式策略性⽤户层低局部局部主动内核模块SVC 模式功能性内核层⾼全局全局被挡Linux 内核模块1、什么是内核模块？内核模块是Linux 提供的⼀种机制，允许在内核运⾏时动态加载进内核中，具有两个特点： 1）内核模块本⾝不编译⼊内核映像，有效控制缩减内核镜像⼤⼩ 2）内核模块⼀旦被加载，他就和内核中的其他部分完全⼀样2、为什么需要内核模块？如果在内核编译时把所有的功能都编译进去，就会导致内核很⼤，⽽且要往内核中添加或删除功能时必须重新编译内核⽐如在Ubuntu 在通⽤PC 平台上，预先⽆法知道需要什么设备，就不知道预先编译什么驱动。

3、内核模块和应⽤程序的区别4、内核模块的基本构成|——两个函数（⼀般需要）| |——模块初始化（加载）函数：当内核模块加载进内核的时候，做⼀些准备⼯作| |——模块卸载函数：回收、清理资源||——授权（许可证声明）（必须）：Linux 内核受GPL （General Public License ）授权约束|——模块参数（可选）：模块被加载时可以被传递给它的值，本⾝对应模块内的全局变量|——模块导出符号（可选）|——模块信息说明（可选）5、模块加载（初始化）函数⼀般以 __init 标识声明函数命名规则 xxx_init xxx 设备名 init 功能名（初始化）函数形式：static ini __init xxx_init(void ){/* 初始化代码* 返回值： 成功：0 失败：负数，绝对值是错误码* 应⽤层得到的返回值是-1，错误码保存到errno （每个进程有⼀个）； 标准化errno.h 已经明确定义linux/errno.h */}注册⽅式： module_init(x); x 为模块初始化函数的⾸地址 6、模块卸载函数⼀般以 __exit 标识声明函数命名规则 xxx_exit xxx 设备名 exit 功能名（卸载）static ini __exit xxx_exit(void ){/* 释放代码 */}注册⽅式： module_exit(x); x为模块卸载函数的⾸地址7、模块许可证声明MODULE_LICENSE(_license) //_license就是授权名称的字符串//"GPL" [GNU Public License v2 or later]//"GPL v2" [GNU Public License v2]//"GPL and additional rights" [GNU Public License v2 rights and more]//"Dual BSD/GPL" [GNU Public License v2 or BSD license choice]//"Dual MIT/GPL" [GNU Public License v2 or MIT license choice]//"Dual MPL/GPL" [GNU Public License v2 or Mozilla license choice]8、模块声明与描述在Linux内核模块中，我们可以⽤MODULE_AUTHOR、MODULE_DESCRIPTION、MODULE_VERSION、MODULE_DEVICE_TABLE、MODULE_ALIAS分别来声明模块的作者、描述、版本、设备表和别名，例如：MODULE_AUTHOR(author);MODULE_DESCRIPTION(description);MODULE_VERSION(version_string);MODULE_DEVICE_TABLE(table_info);MODULE_ALIAS(alternate_name);对于USB、PCI等设备驱动，通常会创建⼀个MODULE_DEVICE_TABLE，表明该驱动模块⽀持的设备，如：/* 对应此驱动的设备列表 */static struct usb_device_id skel_table [ ] = {{USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, USB_SKEL_PRODUCT_ID) }, { } /* 表结束 */}};MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table);9、模块参数：在加载模块时，可以给模块传参头⽂件 linux/moduleparam.hA、传递普通变量module_param(name, type, perm);声明内核模块参数/*name - 接收参数的变量名type - 变量类型 Standard types are: byte, short, ushort, int, uint, long, ulong charp: a character pointer bool: a bool, values 0/1, y/n, Y/N. invbool: the above, only sense-reversed (N = true)perm - 权限 头⽂件 linux/stat.h #define S_IRWXUGO (S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO) #define S_IALLUGO (S_ISUID|S_ISGID|S_ISVTX|S_IRWXUGO) #define S_IRUGO (S_IRUSR|S_IRGRP|S_IROTH) #define S_IWUGO (S_IWUSR|S_IWGRP|S_IWOTH) #define S_IXUGO (S_IXUSR|S_IXGRP|S_IXOTH)*/范例：int i = 0;module_param(i, int, 0644);运⾏：# insmod xxx.ko i=10B、传递数组参数module_param_array(name, type, nump, perm)/*声明内核模块数组参数name - 数组名type - 数组成员类型nump – ⼀个指向保存数组长度的整型变量的指针perm - 权限*/范例：int arr[] = {1,2,3,4,5,6};int len=0;module_param(arr, int, &len, 0644);运⾏：# insmod xxx.ko arr=1,2,3,4,5C、传递字符串参数module_param_string(name, string, len, perm)/*声明内核模块字符串参数name - 字符串缓存的外部名（传⼊变量名）string - 字符串缓存的内部名nump - 数组的数量perm - 权限*/范例：char insidestr[] = "hello world";module_param(extstr, insidestr, szieof(insidestr), 0644);运⾏：# insmod xxx.ko extstr="hello"10、编译内核模块如果⼀个内核模块要加载到某个内核中运⾏，则这个模块必须使⽤编译该内核镜像的源码进⾏编译，否则运⾏时会出错A、头⽂件（语法问题）B、编译结果（最主要影响）编译时符号表（只在编译时使⽤）运⾏时内核符号表# cat /proc/kallsyms 运⾏时内核符号表C、编译系统⽰例Makefile：# 内核模块的Makefile（模块源码在内核源码外，且内核先编译）# 1、找内核的Makefile# 2、内核的Makefile找内核模块的Makeifle内核模块的Makeifle定义要编译对象ifneq ($(KERNELRELEASE),)#要编译对象表⽰把demo.c编译成demo.ko obj-m = demo.oelse#内核源码⽬录KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesendifclean: rm -rf .tmp_versions Module.symvers modules.order .tmp_versions .*.cmd *.o *.ko *.mod.cKERNELRELEASE 是在内核源码的顶层Makefile中定义的⼀个变量，在第⼀次读取执⾏此Makefile时，KERNELRELEASE没有被定义，所以make将读取执⾏else之后的内容。

linux中module的生成流程在Linu某中，module是一个可以动态加载和卸载的代码段，可以添加到内核中，扩展其功能。

module常用于添加新的驱动程序、文件系统、网络协议等。

module的生成流程如下：1. 编写module代码：根据需求编写module的代码，一般使用C语言编写。

module代码需要遵循Linu某内核的规则和风格，避免对内核代码造成影响。

module代码通常包含初始化和清理部分，以便于动态加载和卸载。

2. 编写Makefile：编写与module相对应的Makefile文件。

Makefile描述了module代码的编译和安装过程。

Makefile文件需要指定内核源代码路径和编译选项，以便于编译module代码。

3. 编译module代码：使用Makefile文件对module代码进行编译。

编译过程需要连接系统调用和其他库，并生成.o和.ko文件。

.o文件是编译后的目标文件，而.ko文件是可加载的module文件。

4. 安装module：将.ko文件复制到合适的目录中，一般在/lib/modules/version目录下。

该目录中的子目录是内核版本号。

内核中的module可以通过modprobe命令加载，也可以使用insmod命令手动加载module。

5. 加载module：使用modprobe或insmod命令动态加载module。

modprobe命令会解决module之间的依赖关系，并自动加载相关的module。

insmod命令直接加载module文件，但不会解决依赖关系。

加载module后，可以使用lsmod命令查看当前加载的module列表。

6. 测试module：测试已安装的module是否可以正常工作。

可以使用dmesg命令查看系统日志，了解module的工作状态和输出信息。

也可以使用其他工具进行测试，如ethtool、ifconfig等。

7. 卸载module：使用rmmod命令卸载已加载的module。