Ubuntu 驱动开发入门：编写一个简单的 "Hello World" 内核模块

在 Ubuntu 上开发驱动程序意味着要编写 Linux 内核模块。下面我将带你创建一个最简单的 "Hello World" 内核模块，并演示如何编译、加载和卸载它。

1. 准备工作

首先安装必要的开发工具和内核头文件：

bash

 

复制

 

下载

sudo apt update
sudo apt install build-essential linux-headers-$(uname -r)

2. 编写最简单的内核模块

创建一个名为 hello_world.c 的文件：

c

 

复制

 

下载

#include <linux/init.h>   // 包含模块初始化和清理函数的宏
#include <linux/module.h> // 包含内核模块相关的函数和宏
#include <linux/kernel.h> // 包含 printk 等内核函数

// 模块信息（可选但推荐）
MODULE_LICENSE("GPL");            // 许可证
MODULE_AUTHOR("Your Name");       // 作者
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Linux kernel module"); // 描述
MODULE_VERSION("0.1");            // 版本

// 模块初始化函数
static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, World from the Linux kernel!\n");
    return 0;    // 返回 0 表示成功
}

// 模块清理函数
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, World from the Linux kernel!\n");
}

// 注册模块的初始化和清理函数
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

3. 创建 Makefile

在同一目录下创建 Makefile 文件：

makefile

 

复制

 

下载

obj-m := hello_world.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

4. 编译模块

在终端中运行：

bash

 

复制

 

下载

make

如果一切顺利，你会看到生成了几个文件，其中最重要的是 hello_world.ko（内核对象文件）。

5. 加载和测试模块

加载模块：

bash

 

复制

 

下载

sudo insmod hello_world.ko

检查模块是否加载：

bash

 

复制

 

下载

lsmod | grep hello_world

查看内核日志输出：

bash

 

复制

 

下载

dmesg | tail -n 2

你应该能看到类似这样的输出：

text

 

复制

 

下载

[timestamp] Hello, World from the Linux kernel!

卸载模块：

bash

 

复制

 

下载

sudo rmmod hello_world

再次检查内核日志：

bash

 

复制

 

下载

dmesg | tail -n 2

现在应该能看到：

text

 

复制

 

下载

[timestamp] Goodbye, World from the Linux kernel!

6. 进阶说明

1. printk 和日志级别：

   • KERN_INFO 是日志级别，其他级别包括 KERN_DEBUG, KERN_WARNING, KERN_ERR 等

   • 查看所有内核消息：dmesg 或 journalctl -k

2. 模块参数：
   可以添加可配置参数：

   c

    

   复制

    

   下载

   static char *name = "World";
   module_param(name, charp, 0644);
   MODULE_PARM_DESC(name, "The name to greet");
   
   static int __init hello_init(void)
   {
       printk(KERN_INFO "Hello, %s from the Linux kernel!\n", name);
       return 0;
   }

   然后加载时指定参数：

   bash

    

   复制

    

   下载

   sudo insmod hello_world.ko name="Linux"

3. 安全性：

   • 内核模块运行在内核空间，错误会导致系统崩溃

   • 开发时建议在虚拟机中进行

4. 调试：

   • 使用 printk 是最简单的调试方式

   • 更高级的调试可以使用 kgdb 或 kprobes

7. 清理

完成后可以清理编译生成的文件：

bash

 

复制

 

下载

make clean

下一步

如果你想进一步学习 Linux 驱动开发，可以：

1. 学习字符设备驱动（创建 /dev 下的设备文件）

2. 研究 file_operations 结构体实现读写操作

3. 探索平台设备驱动和设备树（用于嵌入式开发）

这个简单的 "Hello World" 模块展示了最基本的 Linux 内核模块结构，是进入 Linux 驱动开发世界的第一步。

 

obj-m := hello_world.o KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd) all: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules clean: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean 解释下这个makefile的命令。

 

 

这个 Makefile 是用于编译 Linux 内核模块的标准模板。我来逐行解释它的含义和作用：

---

1. obj-m := hello_world.o

• 作用：告诉内核构建系统要编译哪些模块。

• 解释：

  • obj-m 表示要编译成可加载内核模块（.ko 文件）。

  • hello_world.o 是目标文件名（对应你的 .c 文件）。

  • 构建系统会自动将 hello_world.o 链接成 hello_world.ko。

---

2. KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

• 作用：指定当前运行的内核的构建目录。

• 解释：

  • $(shell uname -r) 执行 shell 命令获取当前内核版本（如 5.15.0-76-generic）。

  • /lib/modules/$(uname -r)/build 是标准的内核头文件和构建系统路径。

  • 这是内核模块编译时必须指向的目录，因为它包含内核的配置和头文件。

---

3. PWD := $(shell pwd)

• 作用：获取当前工作目录的绝对路径。

• 解释：

  • $(shell pwd) 执行 shell 的 pwd 命令，返回当前目录路径。

  • 用于告诉内核构建系统在哪里查找你的模块源代码。

---

4. all: 目标

makefile

 

复制

 

下载

all:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

• 作用：编译模块的主要指令。

• 解释：

  • $(MAKE)：调用 make 工具。

  • -C $(KDIR)：切换到内核构建目录（/lib/modules/.../build）。

  • M=$(PWD)：告诉内核构建系统模块源代码的位置（当前目录）。

  • modules：内核构建系统的目标，表示编译外部模块。

  • 实际效果：
    内核的构建系统会读取当前目录的代码，使用内核的配置和编译器设置来生成 .ko 文件。

---

5. clean: 目标

makefile

 

复制

 

下载

clean:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

• 作用：清理编译生成的文件。

• 解释：

  • clean：内核构建系统的目标，表示清理生成的文件。

  • 会删除 .ko、.o、.mod.c 等中间文件。

---

关键点总结

部分	作用
obj-m	指定要编译的模块目标（.o 文件）。
KDIR	指向当前运行内核的构建目录（包含内核头文件和配置）。
M=$(PWD)	告诉内核构建系统模块源代码的位置。
$(MAKE) -C ...	切换到内核目录并调用内核的构建系统处理当前目录的模块代码。
modules/clean	内核构建系统的目标，分别表示编译模块和清理生成文件。

---

为什么需要这样的 Makefile？

1. 依赖内核构建系统：
   Linux 内核模块必须与当前运行的内核严格匹配（版本、配置、编译器选项等）。直接使用内核的构建系统可以确保兼容性。

2. 简化编译过程：
   手动指定所有编译选项（如 -I 路径、宏定义等）非常复杂，而内核的构建系统自动处理这些细节。

3. 标准化的模块构建：
   这是内核官方推荐的模块编译方式，所有 Linux 驱动开发者都使用类似的 Makefile。

---

实际执行流程示例

1. 当你在终端运行 make 时：

   • Makefile 调用 $(MAKE) -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules。

   • 内核构建系统读取当前目录的代码，生成 hello_world.ko。

2. 运行 make clean 时：

   • 删除所有生成的文件，只保留源代码。

---

常见问题

Q1: 如果遇到 Cannot find /lib/modules/.../build 错误？

• 原因：未安装当前内核的头文件。

• 解决：

  bash

   

  复制

   

  下载

  sudo apt install linux-headers-$(uname -r)

Q2: 能否直接使用 gcc 编译内核模块？

• 不能。内核模块需要特殊的内核头文件、编译器选项和链接方式，必须通过内核构建系统完成。

Q3: M=$(PWD) 的作用是什么？

• 它向内核构建系统传递你的模块源代码路径，否则构建系统不知道在哪里找你的 .c 文件。

---

这个 Makefile 是 Linux 内核模块开发的标准模板，理解它的工作原理对驱动开发至关重要！