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献给ARM初学者

(LDD) Ch02-编写和运行模块(转载)
      第2章 编写和运行模块
       
       
      非常高兴现在终于可以开始编程了。本章将介绍模块编程和内核编程所需的所有必要的
      概念。我们将要不多的篇幅来编写和运行一个完整的模块。这种专业技术（expertise）
      是编写如何模块化设备驱动程序的基础。为了避免一下子给你很多概念，本章仅介绍模
      块，不介绍任何类别的设备。
       
      这里介绍的所有内核内容（函数，变量，头文件和宏）也将在本章最后的参考部分再次
      介绍。
       
      如果你已经座不住了，下面的代码是一个完整的“Hello, World”模块（这个模块事实
      上并没什么功能）。它可以在Linux 2.0或以上版本上编译通过，但不能低于或等于1.2
      ，关于这一点本章将在稍后的部分解释*。
       

       
      （代码）
       
      函数printk是由Linux内核定义的，功能与printf相似；模块可以调用printk，这是因为
      在insmod加载了模块后，模块就被连编到内核中了，也就可以调用内核的符号了。字符
      串<1>是消息的优先级。我之所以在模块中使用了高优先级是因为，如果你使用的是内核
      2.0.x和旧的klogd守护进程，默认优先级的消息可能不能显示在控制台上（关于这个问
      题，你可以暂且忽略，我们将在第4章，“调试技术”，的“Printk”小节中详细解释）
      。
       
      通过执行insmod和rmmod命令，你可以试试这个模块，其过程如下面的屏幕输出所示。注
      意，只有超级用户才能加载 托对啬 块。
       
      （代码）
       
      正如你所见，编写一个模块很容易。通过本章我们将深入探讨这个内容。
       
      模块与应用程序
      在深入探讨模块之前，很有必要先看一看内核模块与应用程序之间的区别。
       
      一个应用从头到尾完成一个任务，而模块则是为以后处理某些请求而注册自己，完成这
      个任务后它的“主”函数就立即中止了。换句话说就是，init_module()（模块的入口点
      ）的任务就是为以后调用模块的函数做准备；这就好比模块在说，“我在这，这是我能

      ）的任务就是为以后调用模块的函数做准备；这就好比模块在说，“我在这，这是我能
      做的。”模块的第二个入口点，cleanup_module，仅当模块被下载前才被调用。它应该
      跟内核说，“我不在这了，别再让我做任何事了。”能够卸载也许是你最喜爱的模块化
      的特性之一，它可以让你减少开发时间；你无需每次都花很长的时间开机关机就可以测
      试你的设备驱动程序。
       
      作为一个程序员，你一定知道一个应用程序可以调用应用程序本身没有定义的函数：前
      后的连编过程可以用相应的函数库解析那些外部引用。printf就是这样一个函数，它定
      义在libc中。然而，内核要仅能连编到内核中，它能调用的仅是由内核开放出来的那些
      函数。例如，上面的helllo.c中的printk函数就是内核版的printf，并由内核开放给模
      块给使用；除了没有浮点支持外，它和原函数几乎一模一样。
       
      如图2-1所示，它勾画了为了在运行的内核中加入新函数，是如何调用函数以及如何使用
      函数指针的。
       
      由于没有库连接到模块中，源码文件不应该模块任何常规头文件。与内核有关的所有内
      容都定义在目录/usr/include/linux和/usr/include/asm下的头文件中。在编译应用程
      序也会间接使用这些头文件；其中的内核代码通过#ifdef __KERNEL__保护起来。这两个
      内核头文件目录通常都是到内核源码所在位置的符号连接。如果你根本就想要整个内核
      源码，你至少还要这两个目录的头文件。在比较新的内核中，你还可以在内核源码中发
      现net和scsi头文件目录，但很少有模块会需要这两个目录。
       
      内核头文件的作用将稍后需要它们的地方再做介绍，

      内核头文件的作用将稍后需要它们的地方再做介绍，
       
      内核模块与应用程序的另一个区别是，你得小心“名字空间污染”问题。程序员在写小
      程序时，往往不注意程序的名字空间，但当这些小程序成为大程序的一部分时就会造成
      许多问题了。名字空间污染是指当存在很多函数和全局变量时，它们的名字已不再富有
      足够的意义来很容易的区分彼此的问题。不得不处理这种应用程序的程序员必须花很大
      的精力来单单记住这些“保留”名，并为新符号寻找新的唯一的名字。如果在写内核代
      码时出现这样的错误，这对我们来说是无法忍受的，因为即便最小的模块也要连编到整
      个内核中。防止名字空间污染的最佳方法是把所有你自己的符号都声明为static的，而
      且给所有的全局量加一个well-defined前缀。此外，你还可以通过声明一个符号表来避
      免使用static声明，这些内容将在本章的“注册符号表”小节中介绍。即便是模块内的
      私有符号也最好使用选定的前缀，这样有时会减轻调试的工作。通常，内核中使用的前
      缀都是小写的，今后我们将贯彻这一约定。
       
      内核编程和应用程序编程的最后一个区别是如何处理失效：在应用程序开发期间，段违
      例是无害的，利用调试器可以轻松地跟踪到引起问题的错误之处，然而内核失效却是致
      命的，如果不是整个系统，至少对于当前进程是这样的。我们将在第4章“调试系统失效
      ”小节中介绍如何跟踪内核错误。
       
      用户空间和内核空间
      本节的讨论概而言之就是，模块是在所谓的“内核空间”中运行的，而应用程序则是在
      “用户空间”中运行的。这些都是操作系统理论的最基本概念。
       

       
      事实上，操作系统的作用就是给程序提供一个计算机硬件的一致的视图。此外，操作系
      统处理程序的独立操作，并防止对资源的未经授权的访问。当且仅当CPU可以实现防止系
      统软件免受应用软件干扰的保护机制，这些不同寻常的工作才有可能实现。
       
      每种现代处理器都能实现这种功能。人们选择的方案是在CPU内部实现不同的操作模式（
      或级）。不同的级有不同的作用，而且某些操作不允许在最低级使用；程序代码仅能通
      过有限数目的“门”从一个级切换到另一个级。Unix系统就是充分利用这一硬件特性设
      计而成的，但它只使用了两级（与此不同，例如，Intel处理器就有四级）。在Unix系统
      中，内核在最高级执行（也称为“管理员态”），在这一级任何操作就可以，而应用程
      序则执行在最低级（所谓的“用户态”），在这一级处理器禁止对硬件的直接访问和对
      内存的未授权访问。
       
      正如前面所述，在谈到软件时，我们通常称执行态为“内核空间”和“用户空间”，它
      们分别引用不同的内存映射，也就是程序代码使用不同的“地址空间”。
       
      Unix通过系统调用和硬件中断完成从用户空间到内核空间的控制转移。执行系统调用的
      内核代码在进程的上下文上执行――它代表调用进程操作而且可以访问进程地址空间的
      数据。但与此不同，处理中断的代码相对进程而言是异步的，而且与任何一个进程都无
      关。
       
      模块的功能就是扩展内核的功能；运行在内核中的模块化的代码。通常，一个设备驱动
      程序完成上面概括的两个任务：模块的某些函数做为系统调用执行，而某些函数则负责

       
      事实上，操作系统的作用就是给程序提供一个计算机硬件的一致的视图。此外，操作系
      统处理程序的独立操作，并防止对资源的未经授权的访问。当且仅当CPU可以实现防止系
      统软件免受应用软件干扰的保护机制，这些不同寻常的工作才有可能实现。
       
      每种现代处理器都能实现这种功能。人们选择的方案是在CPU内部实现不同的操作模式（
      或级）。不同的级有不同的作用，而且某些操作不允许在最低级使用；程序代码仅能通
      过有限数目的“门”从一个级切换到另一个级。Unix系统就是充分利用这一硬件特性设
      计而成的，但它只使用了两级（与此不同，例如，Intel处理器就有四级）。在Unix系统
      中，内核在最高级执行（也称为“管理员态”），在这一级任何操作就可以，而应用程
      序则执行在最低级（所谓的“用户态”），在这一级处理器禁止对硬件的直接访问和对
      内存的未授权访问。
       
      正如前面所述，在谈到软件时，我们通常称执行态为“内核空间”和“用户空间”，它
      们分别引用不同的内存映射，也就是程序代码使用不同的“地址空间”。
       
      Unix通过系统调用和硬件中断完成从用户空间到内核空间的控制转移。执行系统调用的
      内核代码在进程的上下文上执行――它代表调用进程操作而且可以访问进程地址空间的
      数据。但与此不同，处理中断的代码相对进程而言是异步的，而且与任何一个进程都无
      关。
       
      模块的功能就是扩展内核的功能；运行在内核中的模块化的代码。通常，一个设备驱动
      程序完成上面概括的两个任务：模块的某些函数做为系统调用执行，而某些函数则负责

      程序完成上面概括的两个任务：模块的某些函数做为系统调用执行，而某些函数则负责
      处理中断。
       
      内核中的并发
      内核编程新手首先要问的问题之一就是多任务是如何管理的。事实上，除了调度器之外
      ，关于多任务并没有什么可以多说的，而且调度器也超出了程序员的一般活动范围。你
      可能会遇到这些任务，除了掌握如下这些原则外，模块编写者无需了解多任务。
       
      与串行的应用程序不同，内核是异步工作的，代表进程执行系统调用。内核负责输入/输
      出以及系统内对每一个进程的资源管理。
       
      内核（和模块）函数完全在一个线程中执行，除非它们要“睡眠”，否则通常都是在单
      个进程的上下文中执行――设备驱动程序应该能够通过交织不同任务的执行来支持并发
      。例如，设备可能由两个不同的进程同时读取。设备驱动程序串行地响应若干read调用
      ，每一个都属于不同的进程。由于代码需要区别不同的数据流，内核（以及设备驱动程
      序）必须维护内部数据结构以区分不同的操作。这与一个学生学习交织在一起的若干门
      课程并非不无相似之处：每门课都有一个不同的笔记本。解决多个访问问题的另一个方
      法就是避免它，禁止对设备的并发访问，但这种怠惰的技术根本不值的讨论。
       
      当内核代码运行时，上下文切换不可能无意间发生，所以设备驱动程序无需是可重入的
      ，除非它自己会调用schedule。必须等待数据的函数可以调用sleep_on，这个函数接着
      又调用schedule。不过你必须要小心，存在某些函数会无意导致睡眠，特别是任何对用
      户空间的访问。利用“天然非抢占”特性不是什么好的方法。我将在第5章，“字符设备

      户空间的访问。利用“天然非抢占”特性不是什么好的方法。我将在第5章，“字符设备
      驱动程序的扩展操作”的“编写可重入代码”小节中讲解可重入函数。
       
      就对设备驱动程序的多个访问而言，有许多不同的途径来分离这些不同的访问，但都是
      依赖于任务相关的数据。这种数据可以是全局内核变量或是传给设备驱动程序函数的进
      程相关参数。最重要的用来跟踪进程的全局变量是current：一个指向struct
      task_struct结构的指针，在<linux/sched.h>中定义。current指针指向当前正在运行的
      用户进程。在系统调用执行期间，如open或read，当前进程就是调用这个调用的进程*。
      如果需要的话，内核代码就可以利用current使用进程相关信息。第5章“设备文件的访
      问控制”小节中就有使用这种技术的例子。
       
      编译器就象外部引用printk一样处理current。模块可以在任何需要的地方引用current
      ，insmod会在加载时解析出所有对它的引用。例如，如下语句通过访问struct
      task_struct中的某些域打印当前进程的进程ID和命令名：