今天去新校区参加了软件自由日西邮站，深深被xiyoulinux小组的每位成员所感动。特别是关于小组成员在准备此次活动时的一些影像，看着那些熟悉的面孔在为今天的自由日活动做着准备，心里很是感动，自愧不如。那种感动应该是他们对Linux的狂热、对理想的坚持。他们身上散发的open精神是无人能及的，只有当你真正融入这个小小的团体，才能感受到他们巨大的力量。
加油，xiyouLinux Group！
存档在 2010年9月
Software Freedom Day
2010年9月19日字符设备驱动分析(1)
2010年9月16日Last Update:9/24（斜体字为更新内容）
Last Update:9/20
Last Update:9/19
熟悉了模块编程的基本框架后，我们就可以试着分析一个简单的字符设备驱动。下面以《设备驱动开发详解》一书中的代码6.17为例来分析这个字符设备驱动的代码。
我们现在对于对前文中hello，kernel内核模块进行稍微的改动。我们都知道内核模块的入口函数是module_init（function name）内注册的函数。也就是告诉内核“从这个函数入口”。那么我们分析字符设备驱动模块，首先应该去看globalmem_init函数。
module_init(globalmem_init); module_exit(globalmem_exit);
在globalmem_init函数中，首先通过宏MKDEV获得32位的设备驱动号。通常linux中的设备号由主设备号和次设备号组成，主设备号对应每一类设备，而次设备号对应该类设备的具体一个设备。dev_t类型前12位是主设备号（但事实上主设备号的前四位被屏蔽了，如果去看源码就可得知），后20位为次设备号。由于可以事先指定主设备号globalmem_major，因此我们需要用宏MKDEV来获得dev_t类型的设备号：
#define MINORBITS 20 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
这个宏通过移位和或运算，巧妙的得到dev_t类型的设备号。这个宏可以在include/linux/kdev_t.h中查找到。网上有的资料中会给出MINORBITS为8，这个应该是适合16位的设备号的情况。
接着通过全局变量globamem_major来判断是否事先分配了起始的设备号。如果是，则继续分配连续的一段设备号，否则动态分配设备号，并且通过MAJOR宏获得分配以后的主设备号。这里需要强调的是，下面的两种设备号分配函数，都是一次性分配一组连续的设备号（当然也可以只分配一个设备号，调整参数即可）。
首先我们分析已知起始设备号的情况。通过调用register_chrdev_region函数，便可以申请到一组连续范围的设备号。在linux/fs/char_dev.c中可以看到此函数的原型。
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
其中from是首设备号，而count是这组连续设备号的数目。name为设备名。而《设备》一书中的count为1，也就是说，这组设备号的数量为1。
其次，当起始设备号并未指定时就要动态的申请了，使用下面的函数：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);
与上面静态分配函数不同的是，此时dev是一个指针类型，因为要返回将要分配的设备号。关于以上两个函数的内核源码分析，具体参见这里。
以上都成功执行后，我们给globalmem_devp指针分配内存空间。其中globalmem_devp是一个指向globalmem设备结构体的指针。我们通过mmset对此块内存空间进行初始化之后。接着globalmem_setup_cdev函数对cdev初始化并将此字符设备注册到内核。
//设备驱动模块加载函数
int globalmem_init(void)
{
int result;
dev_t devno=MKDEV(globalmem_major,0);
if(globalmem_major)
{
result=register_chrdev_region(devno,1,"globalmem");
}
else
{
result=alloc_chrdev_region(&devno,0,1,"globalmem");
globalmem_major=MAJOR(devno);
}
if(result<0)
return result;
globalmem_devp=kmalloc(sizeof(struct globalmem_dev),GFP_KERNEL);
if(!globalmem_devp)
{
result=-ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(globalmem_devp,0,sizeof(struct globalmem_dev));
globalmem_setup_cdev(globalmem_devp,0);
return 0;
fail_malloc:unregister_chrdev_region(devno,1);
return result;
}
上面的程序已经很“整齐”的说明了init函数的主要作用。具体如下：
1.申请设备号
2.为设备相关的数据结构分配内存
3.初始化并注册cdev(globalmem_setup_cdev函数实现)
有了字符设备驱动的加载函数，那么肯定有卸载函数：
void globalmem_exit(void)
{
cdev_del(&globalmem_devp->cdev);
kfree(globalmem_devp);
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 1);
}
总体来看，globalmem_init函数完成的是字符设备的一些初始化工作，以及向系统内注册。而globalmem_exit就是进行字符设备的释放工作：从内核中删除这个字符设备，释放设备结构体所占的内存，以及释放申请的设备号。从结构上看，它并没有偏离内核模块编程的结构范围，仍然是我们熟悉的hello,kernel。
我们在此先暂时将globalmem_setup_cdev函数内部的实现用return 0;来代替。那么我们现在用插入内核模块的命令将我们这个字符设备驱动（尽管许多功能还未实现）插入到内核中。成功后我们可以通过cat /proc/devices 命令来查看刚刚字符设备名称以及主设备号。/proc是一个虚拟的文件系统，这里的虚拟是指这个文件系统并不占用磁盘空间而只存在于内存中。而该目录下的devices文件中存储着系统字符和块设备的驱动名称以及设备编号。
接下来，我们可以通过:mknod /dev/globalmem c 250 0命令创建一个设备节点。有了这个设备节点后，就可以对它进行类似普通文件那样的操作了（当然现在还不能，因为并未实现具体的操作函数）。
这样一个字符驱动的大致上有了雏形。
printf到printk的转变
2010年9月15日昨天下午stepbystep的为其他同学演示了内核模块编程hello,kernel！在陈老师的指导下，先为大家演示了最基本的C程序hello,world。然后又一步步的转换成内核模块程序。在这一步步的转变过程中，我也发现了自己在学习内核模块中的不足，下面将下午遇到的一些问题总结如下。
一个简单的hello，world程序如下：
#include <\stdio.h\>
int main()
{
printf("hello,world\n");
return 0;
}
对于上面的程序，我们通常一步到位进行编译：
gcc hello.c -o hello
这样的命令简单方便，不过通常会让我们忽略从.c文件到可执行文件的整个编译过程。通常在使用gcc编译程序时，编译过程通常会分为4个阶段，即预处理（pre-processing），编译（compiling），汇编（assembling），链接（linking）。
在预处理阶段，一般输入的是.c文件，而输出的是.i文件。在此阶段中通常会处理源文件中的预处理命令，比如#define，#include，#ifdef等命令。如果想要生成这种.i中间文件，那么可以使用下面命令：
gcc -E hello.c -o hello.i
在编译阶段，输入的是.i中间文件，输出的是.s汇编语言文件。可以使用下面的命令：
gcc -S hello.i -o test.s
在汇编阶段，输入的是上一步产生的.s文件，产生的是二进制机器代码.o文件。此阶段对应的命令如下：
gcc -c test.s -o test.o
在链接阶段，输入的是.o二进制机器代码文件，连同其他的（如果有的话）机器代码文件和库文件一起汇集成一个可执行的二进制代码文件。
gcc test.o -o test
以上是一个程序编译完整的四个阶段。一般来说我们会将前三个阶段一步搞定，那么整个编译过程可以用下面两条命令就完成：
gcc -c test.c -o test.o gcc test.o -o test
也就是先生成目标文件，再将目标文件连接成可执行文件。当你熟悉了整个编译过程后，可以用一开始我们说的一条命令来完成。
了解普通文件的编译过程，我们现在就将hello.c中的代码转换成模块编程中的.c代码。首先我们要更改头文件：
#include <\linux/kernel.h\> #include <\linux/module.h\>
这与我们一般的头文件不同。一般我们在用户态下编写C程序，头文件会放在：/usr/include/下，而我们模块编程时，它使用的是内核中的头文件，一般在：cd /usr/src/linux-headers-2.6.32-21/include/。特别的我们这里使用的是include/目录下linux/这个子目录中的头文件，因此模块编译的时候会自动在内核中的include/目录下找linux/kernel.h这样的头文件。
其次，printf到printk是一个典型的用户态下编程与内核模块编程的不同。可能我们一开始会比较奇怪，为什么我make成功，加载也成功，但是就是不能显示printk里面的语句呢？我们可以这么想printk就是专门为内核“服务”。它一般输出的语句都在内核的日志文件当中。
Hello，Kernel！
2010年9月13日学习内核模块编程，第一个小程序当然是hello,kernel！了，这应当算是一个惯例了。以前大三的时候在实验课上做过模块编程，记得当时还是许师兄带我们的实验，不过现在又忘了。晚上试了试，很快就运行成功了，不过还是出现了一些问题。现在将我的步骤记录如下，供和我一样的初学者学习。
1.首先编写hello.c文件
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
//必选
//模块许可声明
MODULE_LICENSE("GPL");
//模块加载函数
static int hello_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "hello,I am edsionte\n");
return 0;
}
//模块卸载函数
static void hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "goodbye,kernel\n");
}
//模块注册
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
//可选
MODULE_AUTHOR("edsionte Wu");
MODULE_DESCRIPTION("This is a simple example!\n");
MODULE_ALIAS("A simplest example");
通常一个模块程序的中，模块加载函数，模块卸载函数以及模块许可声明是必须有的，而象模块参数，模块导出符号以及模块作者信息声明等都是可选的。
我们编写了模块加载函数后，还必须用module_init(mode_name);的形式注册这个函数。因为当我们接下来用insmod加载模块时，内核会自动去寻找并执行内核加载函数，完成一些初始化工作。类似的当我们使用rmmod命令时，内核会自动去执行内核卸载函数。
请注意这里的printk函数，可以简单的理解为它是内核中的printf函数，初次使用很容易将其打成printf。
2.编写Makefile文件
记得大三，那时候实验课上接触到Makefile，只是按照书上的内容敲上去。不过有了上一周对Makefile相关语法的了解，现在看起来已经基本知道为什么要这么写了。那么下面我们看Makefile文件。
obj-m += hello.o #generate the path CURRENT_PATH:=$(shell pwd) #the current kernel version number LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r) #the absolute path LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL) #complie object all: make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules #clean clean: make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean
首先第一句话指定要被编译的文件。其实Makefile中有这样一句话就可以了，但是这样的话每次make时都要加入其他命令，所以我们不妨就在Make中加入每次要执行的命令（脚本语言的功能体现出来了）。每次只要输入make命令即可。
我们首先获得当前的相对路径（你可以在终端输入pwd试一下这个命令），然后再获得当前内核的版本号，这样就可以直接获得当前内核的绝对路径。当然你可以直接输入当前内核版本，不过这样不方便移植，如果当前内核版本号与此文件中的版本号不同时，就得修改。所以上面的方法有很好的移植性，而且可读性也强。
这里会经常出现$(variable name)这样的字符串，其实这是对括号内变量的一种引用，具体可参考Makefile的相关语法规则。
3.make
完成上述两个文件后，在当前目录下运行make命令，就会生成hello.ko文件，即模块目标文件。
4.insmod,rmmod和dmesg
insmod命令可以使我们写的这个模块加入到内核中，但是一般我们要加上sudo。rmmod当然就是卸载这个模块了。我们在加载或卸载模块时都有一些提示语，即我们printk中显示的语句，这时候可以用dmesg命令来查看。
ok，第一个模块编程就这么简单，try一下！
Update 2011/04/03
本文所描述的程序在ubuntu系统下测试成功。其他的Linux发行版应适当修改源码目录，即修改LINUX_KERNEL_PATH。
对Makefile、Kconfig与.config文件的再次理解
2010年9月12日虽然前文中对Makefile、Kconfig以及.config三个文件又过解释，但是在做过几个简单的例子后，对这三个文件有了更深入的理解，（本文参考了苏锦秀师姐的PPT）现在总结如下：
1.我们要在内核中增加程序（比如驱动程序），并且使这个驱动程序能够编译进内核，基本分为两大部分。首先我们要告诉内核“请您下次编译的时候捎带上我”，即需要我们进行内核的相关配置，这就需要对相关Makefie和Kconfig文件进行修改，以便让内核知道将要对这个新的驱动程序进行编译。而仅仅只告诉内核“我需要你编译我”还不行，更重要的是让内核真正的去“行动”，即编译内核。
2.Makefile文集是整个内核工程编译命令的集合。它根据配置情况，构造出需要编译的内核源码文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，形成内核二进制文件。也就是说Makefile只是存储了源码文件构建目标文件的规则，具体是否按着规则去执行还要看那些配置变量。
3.我们进行make menuconfig时，会出现一个配置菜单，它是由各层Kconfig文件组成。Kconfig文件是以分布式的方式位于源码的各个子目录当中。最底层的Kconfig位于源码目录下的arch/x86/Kconfig。由此入口，使用source语句把需要的子Kconfig文件加入到上级目录的Kconfig中，以此递归下去。Kconfig文件控制配置菜单是否出现新驱动的配置选项。用户通过Kconfig文件产生的配置选项，来控制对新驱动的配置。
4.我们在配置菜单中进行的相关配置（【】，【*】,【M】），最终都会存储于.config文件当中，因此Kconfig文件跟这些配置结果并没 有直接的关系，只是提供了配置菜单中的配置选项。
