基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ可加載內核模塊的研究

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛的應用，Linux由于其自身的特點成為最受歡迎的嵌入式操作系統(tǒng)之一。該文闡述了Linux在嵌入式系統(tǒng)中的應用，重點介紹了Linux可加載內核模塊機制的基本原理和特點，以及編寫和加載內核模塊基本方法。

關鍵詞：嵌入式Linux內核；可加載

中圖分類號：TP316文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)26-1759-02

1 引言

一直以來，Linux操作系統(tǒng)以其開源性、穩(wěn)定性、安全性和漏洞少等優(yōu)良性能受到很多專業(yè)技術人員和公司的好評。而隨著嵌入式技術的發(fā)展及廣泛應用，Linux也由于其體積小、易于裁減、運行速度高和網(wǎng)絡性能良好等優(yōu)點成為嵌入式系統(tǒng)常用的操作系統(tǒng)之一，其中它的可加載內核模塊機制體現(xiàn)出了強大的功能。

2 Linux在嵌入式系統(tǒng)中的應用

嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）是計算機的一種應用形式，它是指“以具體應用為中心，以計算機和信息技術的發(fā)展為基礎，將用戶所需的特點功能嵌入到產(chǎn)片、裝置或大型系統(tǒng)中，軟硬件可裁剪，從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”。

正是由于嵌入式系統(tǒng)的應用特點，它對操作系統(tǒng)的要求并不同于一般的計算機系統(tǒng)。首先不同的宿主設備對嵌入式系統(tǒng)的要求都不一樣，因此嵌入式操作系統(tǒng)的功能要足夠強大，才能應付各種各樣不同場合的使用。同時由于系統(tǒng)資源非常有限，嵌入式操作系統(tǒng)又必須滿足精簡高效、占用資源少、響應速度快的特點。對于設備控制系統(tǒng)，還有很重要的一個要求就是安全性和穩(wěn)定性要好，不允許在控制過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障。

作為真正的32位操作系統(tǒng)，Linux能夠很好地滿足嵌入式系統(tǒng)的需要。Linux的可加載內核模塊機制，支持設計人員可以根據(jù)不同嵌入式系統(tǒng)的需要，在不同的場合動態(tài)地選擇不同功能的內核模塊進行加載，內核可控制在100KB以內，這樣既可實現(xiàn)對不同需求的支持，又可以一定程度上保證系統(tǒng)內核的精簡，更好地實現(xiàn)操作系統(tǒng)功能專一而高效、高度節(jié)約資源、啟動速度快、節(jié)省開發(fā)成本等目標。

3 Linux可加載內核模塊機制

內核是Linux操作系統(tǒng)的核心，它負責管理系統(tǒng)的進程、內存、設備驅動程序、文件和網(wǎng)絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

當Linux系統(tǒng)要實現(xiàn)對某種特定功能的支持時，可以把相應部分編譯到內核中，也可以把該部分編譯成模塊。如果編譯到內核中，在內核啟動時就可以自動支持相應部分的功能，但是會使內核變得龐大起來。如果編譯成模塊，就會生成對應的.ko文件，在需要使用時進行動態(tài)加載，這樣就不會使內核過分龐大。所以通常將經(jīng)常使用的部分直接編譯到內核中，偶爾需要使用的部分作為動態(tài)可加載內核模塊使用。

使用這種可加載內核模塊機制，內核模塊在需要時才加載到內核空間，不需要的時候可以釋放內存資源，這樣可以使內核更小更精簡，從而避免占據(jù)太多的內核空間。而當需要添加內核功能時，只需要添加編譯模塊代碼就可以了，不需要對基本內核進行頻繁的改動。

對這種可加載內核模塊的訪問主要是通過內核中的一個全局變量module_list實現(xiàn)的。每當用戶將一個模塊加載到內核中時，這個模塊就會被添加到由module_list形成的鏈表中。每當內核要使用到這個模塊所提供的函數(shù)時，內核就會檢索這個鏈表，找到相應的模塊中的函數(shù)或變量。內核將資源登記在符號表中，模塊可通過符號表使用核心資源。當模塊加載入內核時，系統(tǒng)將新加載模塊提供的資源和符號加到內核符號表中，通過這種通信機制，模塊之間可以實現(xiàn)資源的互相訪問。

4 內核模塊的實現(xiàn)

4.1 內核模塊的編寫

一個內核模塊至少要包含兩個函數(shù)：用于加載時的模塊初始化函數(shù)init_module()和用于卸載的模塊結束函數(shù)cleanup_module()。實際應用中這兩個函數(shù)可以用任意函數(shù)名代替，但是必須在函數(shù)定義后用宏module_init()和module_exit()進行聲明，如：

static int __init lcd_init(void){…}

static void __exit lcd_exit(void){…}

module_init(lcd_init );

module_exit(lcd_exit);

4.2 內核模塊的編譯

編譯時需要通過一個Makefile文件來完成，其具體內容可參考下面生成lcd.ko的Makefile文件：

obj -m +=lcd.ko

KDIR :=/usr/arc/linux-2.6

PWD :=$(shell pwd)

Default:

$(MAKE) -C $(KDIR)SUBDIRS=$(PWD) modules

Makefile文件必須跟目標源文件放在同一個目錄下，執(zhí)行Make命令來完成該模塊的編譯，生成相應的.ko文件。

4.3 內核模塊的加載和卸載

當需要使用某個模塊的功能時，可以使用insmod命令進行加載。此時模塊從用戶態(tài)進入到內核態(tài)，insmod程序找到要求加載的內核模塊，首先將其輸出符號在內核中的相應地址進行修改，然后為新模塊申請足夠的內核內存空間，并更新其符號表，然后內核調用模塊的初始化函數(shù)完成模塊的安裝。

模塊使用完后可以用rmmod命令卸載，此模塊占用的內核內存將被回收。但是內核中其他部分還在使用的模塊是不能被卸載的。

5 結束語

對于Linux的可加載內核模塊機制及應用，涉及到的知識非常廣泛，并不是這里簡單的幾句話就能夠深入分析清楚。本文在介紹了Linux內核機制的基本原理的基礎上，簡單說明了內核模塊的編寫和編譯過程，供廣大愛好者為更好地進一步學習Linux打下良好的基礎。

參考文獻：

[1] 陳莉君.深入分析Linux源碼[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 李善平，劉文峰.Linux與嵌入式系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3] 周應華.對Linux可加載內核模塊應用框架的研究[J].計算機系統(tǒng)應用，2007，(4):69-72，76.

[4] 陳剛，盧顯良.基于Linux-2.6內核模塊程序設計[J].福建電腦，2004，(6):16-17.

[5] 劉天華，陳梟.Linux可加載內核模塊機制的研究與應用[J].微計算機信息，2007，(20):55-56，134.