內核模塊管理
Linux設備驅動會以內核模塊的形式出現(xiàn)，因此學會編寫Linux內核模塊編程是學習linux設備驅動的先決條件。

Linux內核的整體結構非常龐大，其包含的組件非常多。我們把需要的功能都編譯到linux內核,以模塊方式擴展內核功能。

先來看下最簡單的內核模塊

#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
 
 
static int __init hello_init(void) 
{ 
    printk(KERN_ALERT "Hello world! %s, %d\n", __FILE__, __LINE__); 
    return 0; 
} 
 
static void __exit hello_exit(void) 
{ 
 
    printk(KERN_ALERT "Hello world! %s, %d\n", __FILE__, __LINE__); 
} 
 
module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit); 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("Mikcy Liu"); 
MODULE_DESCRIPTION("A simple Module"); 
MODULE_ALIAS("a simple module"); 

頭文件init.h包含了宏_init和_exit，它們允許釋放內核占用的內存。
module_init()和hello_exit()是模塊編程中最基本也是必須的兩個函數(shù)。
module_init()是驅動程序初始化的入口點。
hello_exit是模塊的退出和清理函數(shù)。此處可以做所有終止該驅動程序時相關的清理工作。

內核模塊中用于輸出的函數(shù)式內核空間的printk()而非用戶空間的printf(),printk()的用法和printf()相似，但前者可定義輸出級別。printk()可作為一種最基本的內核調試手段

前者可以定義輸出級別,在 <內核目錄>/include/linux/kernel.h中

#define KERN_EMERG   "<0>"  /* system is unusable          */ 
#define KERN_ALERT   "<1>"  /* action must be taken immediately   */ 
#define KERN_CRIT    "<2>"  /* critical conditions         */ 
#define KERN_ERR    "<3>"  /* error conditions           */ 
#define KERN_WARNING  "<4>"  /* warning conditions          */ 
#define KERN_NOTICE   "<5>"  /* normal but significant condition   */ 
#define KERN_INFO    "<6>"  /* informational            */ 
#define KERN_DEBUG   "<7>"  /* debug-level messages         */ 

未設定級別的，在<內核目錄>/kernel/printk.c中定義

/* printk's without a loglevel use this.. */ 
#define DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL 4 /* KERN_WARNING */ 
 #define DEFAULT_CONSOLE_LOGLEVEL 7 /* anything MORE serious than KERN_DEBUG */ 

只有當printk打印信息時的loglevel小于DEFAULT_CONSOLE_LOGLEVEL的值（優(yōu)先級高于console loglevel），這些信息才會被打印到console上。

模塊聲明與描述

•    在linux模塊中，我們可以使用
•    MODULE_LICENSE(license)   //定義模塊的license，一般為GPL，或相關公司的license
•    MODULE_AUTHOR             //模塊的作者
•    MODULE_DESCRIPTION        //對模塊程序的描述，string
•    MODULE_VERSION            //版本
•    MODULE_DEVICE_TABLE       //模塊程序所支持的設備，string
•    MODULE_ALIAS              //別名
•    MODULE_PARM(var,type)     //模塊參數(shù)

模塊編譯
首先看看Makefile文件：

obj-m := hello.o 
KERNEL_BUILD := /lib/modules/$(shell uname -r)/build 
all: 
    make -C $(KERNEL_BUILD) M=$(shell pwd) modules 
clean: 
    -rm -rf *.o *.ko *.mod.c .*.cmd *.order *.symvers .tmpversions 
KERNELBUILD :=/lib/modules/$(shell uname -r)/

build是編譯內核模塊需要的Makefile的路徑，Ubuntu下是/lib/modules/2.6.31-14-generic/build

如果是Arm平臺的開發(fā)板,則-C選項指定的位置(即內核源代碼目錄),其中保存有內核的頂層Makefile文件.

make -C $(KERNEL_BUILD) M=$(shell pwd) modules 編譯內核模塊。-C 將工作目錄轉到KERNEL_BUILD，調用該目錄下的Makefile，并向這個Makefile傳遞參數(shù)M的值是$(shell pwd) modules。

M=選項讓該makefile在構造modules目標之前返回到模塊源代碼目錄。然后modules目標指向obj-m變量中設定的模塊

執(zhí)行make命令開始編譯模塊,生成hello.ko，執(zhí)行make clean可清除編譯產(chǎn)生的文件。

1、添加模塊

   insmod hello.ko

2、查看模塊

  lsmod | grep hello

   lsmod命令實際上讀取并分析/proc/modules文件，也可以cat /proc/modules文件

   在模塊所在目錄下執(zhí)行

    modinfo  hello.ko可以查看模塊信息,如下所示

filename:    hello.ko
alias:     a simple module
description:  A simple Module
author:     Mikcy Liu
license:    GPL
srcversion:   875C95631F4F336BBD4216C
depends:    
vermagic:    3.5.0-17-generic SMP mod_unload modversions 686

3、刪除模塊

 rmmod hello

模塊加載函數(shù)

Linux內核模塊加載函數(shù)一般以__init標識聲明，典型的模塊加載函數(shù)的形式如下：

static int __init initialization_function(void) { 
   //初始化代碼  
}  
module_init(initialization_function); 

    模塊加載函數(shù)必須以“module_init(函數(shù)名)”的形式指定。它返回整形值，若初始化成功，應返回0。而在初始化失敗時。應該返回錯誤編碼。

    在linux內核里，錯誤編碼是一個負值，在<linux/errno.h>中定義，包含-ENODEV、-ENOMEM之類的符號值。返回相應的錯誤編碼是種非常好的習慣，因為只有這樣，用戶程序才可以利用perror等方法把它們轉換成有意義的錯誤信息字符串。

    在linux2.6內核中，所有標識為__init的函數(shù)在連接的時候都會放在.init.text（這是module_init宏在目標代碼中增加的一個特殊區(qū)段，用于說明內核初始化函數(shù)的所在位置）這個區(qū)段中，此外，所有的__init函數(shù)在區(qū)段.initcall.init中還保存著一份函數(shù)指針，在初始化時內核會通過這些函數(shù)指針調用這些__init函數(shù)，并在初始化完成后釋放init區(qū)段（包括.init.text和.initcall.init等）。所以大家應注意不要在結束初始化后仍要使用的函數(shù)上使用這個標記。

模塊卸載函數(shù)

Linux內核卸載模塊函數(shù)一般以__exit標識聲明，典型的模塊卸載函數(shù)的形式如下：

static void __exit cleanup_function(void) {   
 //釋放代碼  
}  
module_exit(cleanup_function); 

模塊卸載函數(shù)在模塊卸載時被調用，不返回任何值，必須以”module_exit(函數(shù)名)”的形式來指定
與__init一樣__exit也可以使對應函數(shù)在運行完成后自動回收內存。

一般來說，模塊卸載函數(shù)完成與模塊加載函數(shù)相反的功能：
如果模塊加載函數(shù)注冊了 XXX模塊，則模塊卸載函數(shù)應注銷XXX。
若模塊加載函數(shù)動體申請了內存，則模塊卸載函數(shù)應釋放該內存。
若模塊加載函數(shù)申請了硬件資源，則模塊卸載函數(shù)應釋放這些硬件資源。
若模塊加載函數(shù)開啟了硬件，則模塊卸載函數(shù)應關閉硬件。

內核時間管理
(1)內核中的時間概念
    時間管理在linux內核中占有非常重要的作用。
    相對于事件驅動而言，內核中有大量函數(shù)是基于時間驅動的。
    有些函數(shù)是周期執(zhí)行的，比如每10毫秒刷新一次屏幕；
    有些函數(shù)是推后一定時間執(zhí)行的，比如內核在500毫秒后執(zhí)行某項任務。
    要區(qū)分：
    *絕對時間和相對時間
    *周期性產(chǎn)生的事件和推遲執(zhí)行的事件
    周期性事件是由系統(tǒng)系統(tǒng)定時器驅動的
 
(2)HZ值
    內核必須在硬件定時器的幫助下才能計算和管理時間。
    定時器產(chǎn)生中斷的頻率稱為節(jié)拍率(tick rate)。
    在內核中指定了一個變量HZ，內核初始化的時候會根據(jù)這個值確定定時器的節(jié)拍率。
    HZ定義在<asm/param.h>，在i386平臺上，目前采用的HZ值是1000。
    也就是時鐘中斷每秒發(fā)生1000次，周期為1毫秒。即：
    #define HZ 1000
 
    注意！HZ不是個固定不變的值，它是可以更改的，可以在內核源代碼配置的時候輸入。
    不同的體系結構其HZ值是不一樣的，比如arm就采用100。
    如果在驅動中要使用系統(tǒng)的中斷頻率，直接使用HZ，而不要用100或1000
 
 
    a.理想的HZ值
        i386的HZ值一直采用100，直到2.5版后才改為1000。
        提高節(jié)拍率意味著時鐘中斷產(chǎn)生的更加頻繁，中斷處理程序也會更頻繁地執(zhí)行。
 
        帶來的好處有：
        *內核定時器能夠以更高的頻率和更高的準確度運行
        *依賴定時器執(zhí)行的系統(tǒng)調用，比如poll()和select()，運行的精度更高
        *提高進程搶占的準確度
        (縮短了調度延時，如果進程還剩2ms時間片，在10ms的調度周期下，進程會多運行8ms。
        由于耽誤了搶占，對于一些對時間要求嚴格的任務會產(chǎn)生影響)
 
        壞處有：
        *節(jié)拍率要高，系統(tǒng)負擔越重。
        中斷處理程序將占用更多的處理器時間。
 
 (3)jiffies
    全局變量jiffies用于記錄系統(tǒng)啟動以來產(chǎn)生的節(jié)拍的總數(shù)。
    啟動時，jiffies初始化為0，此后每次時鐘中斷處理程序都會增加該變量的值。
    這樣，系統(tǒng)啟動后的運行時間就是jiffies/HZ秒
 
    jiffies定義于<linux/jiffies.h>中：
    extern unsigned long volatile jiffies;
 
    jiffies變量總是為unsigned long型。
    因此在32位體系結構上是32位，而在64位體系上是64位。
    對于32位的jiffies，如果HZ為1000，49.7天后會溢出。
    雖然溢出的情況不常見，但程序在檢測超時時仍然可能因為回繞而導致錯誤。
    linux提供了4個宏來比較節(jié)拍計數(shù)，它們能正確地處理節(jié)拍計數(shù)回繞。 
 
 

  #include <linux/jiffies.h> 
  #define time_after(unknown, known)    // unknow > known 
  #define time_before(unknown, known)   // unknow < known 
  #define time_after_eq(unknown, known)  // unknow >= known 
  #define time_before_eq(unknown, known)  // unknow <= known 
 

    unknown通常是指jiffies，known是需要對比的值(常常是一個jiffies加減后計算出的相對值)
 
    例： 

  unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 0.5秒后超時 */ 
  ... 
  if(time_before(jiffies, timeout)){ 
    /* 沒有超時，很好 */ 
  }else{ 
    /* 超時了，發(fā)生錯誤 */ 

     
    time_before可以理解為如果在超時(timeout)之前(before)完成
 
 
    *系統(tǒng)中還聲明了一個64位的值jiffies_64，在64位系統(tǒng)中jiffies_64和jiffies是一個值。
    可以通過get_jiffies_64()獲得這個值。
 
    *使用 

  u64 j2; 
    j2 = get_jiffies_64(); 

 
 (4)獲得當前時間
    驅動程序中一般不需要知道墻鐘時間(也就是年月日的時間)。但驅動可能需要處理絕對時間。
    為此，內核提供了兩個結構體，都定義在<linux/time.h>： 

a.

  struct timeval { 
   time_t tv_sec; /* seconds */ 
   suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 
  }; 

    較老，但很流行。采用秒和毫秒值，保存了1970年1月1日0點以來的秒數(shù) 

b.

  struct timespec { 
   time_t tv_sec; /* seconds */ 
   long tv_nsec; /* nanoseconds */ 
  }; 

    較新，采用秒和納秒值保存時間。
 
    c.do_gettimeofday()
        該函數(shù)用通常的秒或微秒來填充一個指向struct timeval的指針變量，原型如下： 

    #include <linux/time.h> 
    void do_gettimeofday(struct timeval *tv); 
 

    d.current_kernel_time()
        該函數(shù)可用于獲得timespec 
       

#include <linux/time.h> 
    struct timespec current_kernel_time(void);

確定時間的延遲執(zhí)行 
    設備驅動程序經(jīng)常需要將某些特定代碼延遲一段時間后執(zhí)行，通常是為了讓硬件能完成某些任務。
    長于定時器周期(也稱為時鐘嘀嗒)的延遲可以通過使用系統(tǒng)時鐘完成，而非常短的延時則通過軟件循環(huán)的方式完成
     
 
(1)短延時
    對于那些最多幾十個毫秒的延遲，無法借助系統(tǒng)定時器。
    系統(tǒng)通過軟件循環(huán)提供了下面的延遲函數(shù)： 

  #include <linux/delay.h> 
  /* 實際在<asm/delay.h> */ 
  void ndelay(unsigned long nsecs); /*延遲納秒 */ 
  void udelay(unsigned long usecs); /*延遲微秒 */ 
  void mdelay(unsigned long msecs); /*延遲毫秒 */ 

 
    這三個延遲函數(shù)均是忙等待函數(shù)，在延遲過程中無法運行其他任務。
 
(2)長延時
    a.在延遲到期前讓出處理器 

    while(time_before(jiffies, j1)) 
      schedule(); 

        在等待期間可以讓出處理器，但系統(tǒng)無法進入空閑模式(因為這個進程始終在進行調度)，不利于省電。
 
    b.超時函數(shù) 

    #include <linux/sched.h> 
    signed long schedule_timeout(signed long timeout); 

 
    使用方式： 

  set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 
  schedule_timeout(2*HZ); /* 睡2秒 */ 

    進程經(jīng)過2秒后會被喚醒。如果不希望被用戶空間打斷，可以將進程狀態(tài)設置為TASK_UNINTERRUPTIBLE。

#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/time.h> 
#include <linux/sched.h> 
#include <linux/delay.h> 
 
static int __init test_init(void) 
{ 
  set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 
  schedule_timeout(5 * HZ); 
  printk(KERN_INFO "Hello Micky\n"); 
  return 0; 
} 
 
static void __exit test_exit(void) 
{ 
} 
 
module_init(test_init); 
module_exit(test_exit); 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("Micky Liu"); 
MODULE_DESCRIPTION("Test for delay"); 

(3)等待隊列
    使用等待隊列也可以實現(xiàn)長延遲。
    在延遲期間，當前進程在等待隊列中睡眠。
    進程在睡眠時，需要根據(jù)所等待的事件鏈接到某一個等待隊列。
 
    a.聲明等待隊列
        等待隊列實際上就是一個進程鏈表，鏈表中包含了等待某個特定事件的所有進程。 

    #include <linux/wait.h> 
    struct __wait_queue_head { 
      spinlock_t lock; 
      struct list_head task_list; 
    }; 
    typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t; 

 
        要想把進程加入等待隊列，驅動首先要在模塊中聲明一個等待隊列頭，并將它初始化。
 
        靜態(tài)初始化 
     

    DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name); 

 
        動態(tài)初始化 

      wait_queue_head_t my_queue; 
      init_waitqueue_head(&my_queue); 

 
    b.等待函數(shù)
        進程通過調用下面函數(shù)可以在某個等待隊列中休眠固定的時間： 

    #include <linux/wait.h> 
    long wait_event_timeout(wait_queue_head_t q,condition, long timeout); 
    long wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_t q, condition, long timeout);

        調用這兩個函數(shù)后，進程會在給定的等待隊列q上休眠，但會在超時(timeout)到期時返回。
        如果超時到期，則返回0，如果進程被其他事件喚醒，則返回剩余的時間數(shù)。
        如果沒有等待條件，則將condition設為0
 
        使用方式： 

    wait_queue_head_t wait; 
    init_waitqueue_head(&wait); 
    wait_event_interruptible_timeout(wait, 0, 2*HZ); 
    /*當前進程在等待隊列wait中睡2秒 */ 

 
 
 
(4)內核定時器
    還有一種將任務延遲執(zhí)行的方法是采用內核定時器。
    與前面幾種延遲方法不同，內核定時器并不會阻塞當前進程，
    啟動一個內核定時器只是聲明了要在未來的某個時刻執(zhí)行一項任務，當前進程仍然繼續(xù)執(zhí)行。
    不要用定時器完成硬實時任務
 
    定時器由結構timer_list表示，定義在<linux/timer.h> 

  struct timer_list{ 
    struct list_head entry; /* 定時器鏈表 */ 
    unsigned long expires; /* 以jiffies為單位的定時值 */ 
    spinlock_t lock; 
    void(*function)(unsigned long); /* 定時器處理函數(shù) */ 
    unsigned long data; /* 傳給定時器處理函數(shù)的參數(shù) */ 
  } 

 
    內核在<linux/timer.h>中提供了一系列管理定時器的接口。
 
    a.創(chuàng)建定時器 

    struct timer_list my_timer; 

 
    b.初始化定時器 

    init_timer(&my_timer); 
    /* 填充數(shù)據(jù)結構 */ 
    my_timer.expires = jiffies + delay; 
    my_timer.data = 0; 
    my_timer.function = my_function; /*定時器到期時調用的函數(shù)*/ 

 
    c.定時器的執(zhí)行函數(shù)
        超時處理函數(shù)的原型如下： 

    void my_timer_function(unsigned long data); 

        可以利用data參數(shù)用一個處理函數(shù)處理多個定時器。可以將data設為0
 
    d.激活定時器 

    add_timer(&my_timer); 

        定時器一旦激活就開始運行。
 
    e.更改已激活的定時器的超時時間 

    mod_timer(&my_timer, jiffies+ney_delay); 

        可以用于那些已經(jīng)初始化但還沒激活的定時器，
        如果調用時定時器未被激活則返回0，否則返回1。
        一旦mod_timer返回，定時器將被激活。
 
    f.刪除定時器 

    del_timer(&my_timer); 

        被激活或未被激活的定時器都可以使用，如果調用時定時器未被激活則返回0，否則返回1。
        不需要為已經(jīng)超時的定時器調用，它們被自動刪除
 
    g.同步刪除 

  del_time_sync(&my_timer); 

    在smp系統(tǒng)中，確保返回時，所有的定時器處理函數(shù)都退出。不能在中斷上下文使用。 
   

#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/time.h> 
#include <linux/sched.h> 
#include <linux/delay.h> 
#include <linux/timer.h> 
 
struct timer_list my_timer; 
 
static void timer_handler(unsigned long arg) 
{ 
  printk(KERN_INFO "%s %d Hello Micky! arg=%lu\n",__func__, __LINE__, arg ); 
} 
 
static int __init test_init(void) 
{ 
  init_timer(&my_timer); 
 
  my_timer.expires = jiffies + 5 * HZ; 
  my_timer.function = timer_handler; 
  my_timer.data = 10; 
  add_timer(&my_timer); 
 
  return 0; 
} 
 
static void __exit test_exit(void) 
{ 
  del_timer(&my_timer); 
} 
 
module_init(test_init); 
module_exit(test_exit); 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("Micky Liu"); 
MODULE_DESCRIPTION("Test for timer"); 

#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/time.h> 
#include <linux/sched.h> 
#include <linux/delay.h> 
#include <linux/timer.h> 
 
struct timer_list my_timer; 
 
static void timer_handler(unsigned long arg) 
{ 
  printk(KERN_INFO "%s %d Hello Micky! arg=%lu\n",__func__, __LINE__, arg ); 
} 
 
static int __init test_init(void) 
{ 
  init_timer(&my_timer); 
 
  //my_timer.expires = jiffies + 5 * HZ; 
  my_timer.function = timer_handler; 
  my_timer.data = 10;  
  //add_timer(&my_timer); 
  mod_timer(&my_timer, jiffies + 5 * HZ); 
 
  return 0; 
} 
 
static void __exit test_exit(void) 
{ 
  del_timer(&my_timer); 
} 
 
module_init(test_init); 
module_exit(test_exit); 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("Micky Liu"); 
MODULE_DESCRIPTION("Test for timer"); 

 
不確定時間的延遲執(zhí)行
(1)什么是不確定時間的延遲
    前面介紹的是確定時間的延遲執(zhí)行，但在寫驅動的過程中經(jīng)常遇到這種情況：
    用戶空間程序調用read函數(shù)從設備讀數(shù)據(jù)，但設備中當前沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)。
    此時，驅動的read函數(shù)默認的操作是進入休眠，一直等待到設備中有了數(shù)據(jù)為止。
 
    這種等待就是不定時的延遲，通常采用休眠機制來實現(xiàn)。
 
 
(2)休眠
    休眠是基于等待隊列實現(xiàn)的，前面我們已經(jīng)介紹過wait_event系列函數(shù)，
    但現(xiàn)在我們將不會有確定的休眠時間。
 
    當進程被置入休眠時，會被標記為特殊狀態(tài)并從調度器的運行隊列中移走。
    直到某些事件發(fā)生后，如設備接收到數(shù)據(jù)，則將進程重新設為運行態(tài)并進入運行隊列進行調度。
    休眠函數(shù)的頭文件是<linux/wait.h>，具體的實現(xiàn)函數(shù)在kernel/wait.c中。
 
    a.休眠的規(guī)則
        *永遠不要在原子上下文中休眠
        *當被喚醒時，我們無法知道睡眠了多少時間，也不知道醒來后是否獲得了我們需要的資源
        *除非知道有其他進程會在其他地方喚醒我們，否則進程不能休眠
 
    b.等待隊列的初始化
        見前文
 
    c.休眠函數(shù)
        linux最簡單的睡眠方式為wait_event宏。該宏在實現(xiàn)休眠的同時，檢查進程等待的條件。
 
        A. 

void wait_event( 
       wait_queue_head_t q, 
       int condition); 
 

        B. 

int wait_event_interruptible(wait_queue_head_t q, int condition); 

            q: 是等待隊列頭，注意是采用值傳遞。
            condition: 任意一個布爾表達式，在條件為真之前，進程會保持休眠。
            注意！進程需要通過喚醒函數(shù)才可能被喚醒，此時需要檢測條件。
            如果條件滿足，則被喚醒的進程真正醒來；
            如果條件不滿足，則進程繼續(xù)睡眠。
 
 
    d.喚醒函數(shù)
        當我們的進程睡眠后，需要由其他的某個執(zhí)行線程(可能是另一個進程或中斷處理例程)喚醒。
        喚醒函數(shù)：
            #include <linux/wait.h>
            1.

 void wake_up( 
        wait_queue_head_t *queue); 

 
            2. 

void wake_up_interruptible( 
        wait_queue_head_t *queue); 

 
        wake_up會喚醒等待在給定queue上的所有進程。
        而wake_up_interruptible喚醒那些執(zhí)行可中斷休眠的進程。
        實踐中，約定做法是在使用wait_event時使用wake_up，而使用wait_event_interruptible時使用wake_up_interruptible。

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