不知道在什幺时候，Linux 出现了 module 这种东西，的确，它是 Linux 的一大革新。有了 module 之后，写 device driver 不再是一项恶梦，修改 kernel 也不再是一件痛苦的事了。因为你不需要每次要测试 driver 就重新 compile kernel 一次。那简直是会累死人。Module 可以允许我们动态的改变 kernel，加载 device driver，而且它也能缩短我们 driver development 的时间。在这篇文章里，我将要跟各位介绍一下 module 的原理，以及如何写一个 module。 module 翻译成中文就是模块，不过，事实上去翻译这个字一点都没意义。在讲模块之前，我先举一个例子。相信很多人都用过 RedHat。在 RedHat 里，我们可以执行 sndconfig，它可以帮我们 config 声卡。config 完之后如果捉得到你的声卡，那你的声卡马上就可以动了，而且还不用重新激活计算机。这是怎幺做的呢 ? 就是靠module。module 其实是一般的程序。但是它可以被动态载到 kernel 里成为 kernel的一部分。载到 kernel 里的 module 它具有跟 kernel 一样的权力。可以 Access 任何 kernel 的 data strUCture。你听过 kdebug 吗 ? 它是用来 debug kernel 的。它就是先将它本身的一个 module 载到 kernel 里，而在 user space 的 gdb 就可以经由跟这个 module 沟通，得知 kernel 里的 data structure 的值，除此之外，还可以经由载到 kernel 的 module 去更改 kernel 里 data structure。 我们知道，在写 C 程序的时候，一个程序只能有一个 main。Kernel 本身其实也是一个程序，它本身也有个 main，叫 start_kernel()。当我们把一个 module 载到 kernel 里的时候，它会跟 kernel 整合在一起，成为 kernel 的一部分。请各位想想，那 module 可以有 main 吗 ? 答案很明显的，是 No。理由很简单。一个程序只能有一个 main。在使用 module 时，有一点要记住的是 module 是处于被动的角色。它是提供某些功能让别人去使用的。 Kernel 里有一个变量叫 module_list，每当 user 将一个 module 载到 kernel 里的时候，这个 module 就会被记录在 module_list 里面。当 kernel 要使用到这个 module 提供的 function 时，它就会去 search 这个 list，找到 module，然后再使用其提供的 function 或 variable。每一个 module 都可以 eXPort 一些 function 或变量来让别人使用。除此之外，module 也可以使用已经载到 kernel 里的 module 提供的 function。这种情形叫做 module stack。比方说，module A 用到 module B 的东西，那在加载 module A 之前必须要先加载 module B。否则 module A 会无法加载。除了 module 会 export 东西之外，kernel 本身也会 export 一些 function 或 variable。同样的，module 也可以使用 kernel 所 export 出来的东西。由于大家平时都是撰写 user space 的程序，所以，当突然去写 module 的时候，会把平时写程序用的 function 拿到 module 里使用。像是 printf 之类的东西。我要告诉各位的是，module 所使用的 function 或 variable，要嘛就是自己写在 module 里，要嘛就是别的 module 提供的，再不就是 kernel 所提供的。你不能使用一般 libc 或 glibc所提供的 function。像 printf 之类的东西。这一点可能是各位要多小心的地方。(也许你可以先 link 好，再载到 kernel，我好象试过，但是忘了) 刚才我们说到 kernel 本身会 export 出一些 function 或 variable 来让 module 使用，但是，我们不是万能的，我们怎幺知道 kernel 有开放那里东西让我们使用呢 ? Linux 提供一个 command，叫 ksyms，你只要执行 ksyms -a 就可以知道 kernel 或目前载到 kernel 里的 module 提供了那些 function 或 variable。底下是我的系统的情形: c0216ba0 drive_info_R744aa133 c01e4a44 boot_cpu_data_R660bd466 c01e4ac0 EISA_bus_R7413793a c01e4ac4 MCA_bus_Rf48a2c4c c010cc34 __verify_write_R203afbeb . . . . . 在 kernel 里，有一个 symbol table 是用来记录 export 出去的 function 或 variable。除此之外，也会记录着那个 module export 那些 function。上面几行中，表示 kernel 提供了 drive_info 这个 function/variable。所以，我们可以在 kernel 里直接使用它，等载到 kernel 里时，会自动做好 link 的动作。由此，我们可以知道，module 本身其实是还没做 link 的一些 object code。一切都要等到 module 被加载 kernel 之后，link 才会完成。各位应该可以看到 drive_info 后面还接着一些奇怪的字符串。_R744aa133，这个字符串是根据目前 kernel 的版本再做些 encode 得出来的结果。为什幺额外需要这一个字符串呢 ? Linux 不知道从那个版本以来，就多了一个 config 的选项，叫做 Set version number in symbols of module。这是为了避免对系统造成不稳定。我们知道 Linux 的 kernel 更新的很快。在 kernel 更新的过程，有时为了效率起见，会对某些旧有的 data structure 或 function 做些改变，而且一变可能有的 variable 被拿掉，有的 function 的 prototype 跟原来的都不太一样。如果这种情形发生的时候，那可能以前 2.0.33 版本的 module 拿到 2.2.1 版本的 kernel 使用，假设原来 module 使用了 2.0.33 kernel 提供的变量叫 A，但是到了 2.2.1 由于某些原因必须把 A 都设成 NULL。那当此 module 用在 2.2.1 kernel 上时，如果它没去检查 A 的值就直接使用的话，就会造成系统的错误。也许不会整个系统都死掉，但是这个 module 肯定是很难发挥它的功能。为了这个原因，Linux 就在 compile module 时，把 kernel 版本的号码 encode 到各个 exported function 和 variable 里。 所以，刚才也许我们不应该讲 kernel 提供了 drive_info，而应该说 kernel 提供了 driver_info_R744aa133 来让我们使用。这样也许各位会比较明白。也就是说，kernel 认为它提供的 driver_info_R744aa133 这个东西，而不是 driver_info。所以，我们可以发现有的人在加载 module 时，系统都一直告诉你某个 function 无法 resolved。这就是因为 kernel 里没有你要的 function，要不然就是你的 module 里使用的 function 跟 kernel encode 的结果不一样。所以无法 resolve。解决方式，要嘛就是将 kernel 里的 set version 选项关掉，要嘛就是将 module compile 成 kernel 有办法接受的型式。 那有人就会想说，如果 kernel 认定它提供的 function 名字叫做 driver_info_R744aa133 的话，那我们写程序时，是不是用到这个 funnction 的地方都改成 driver_info_R744aa133 就可以了。答案是 Yes。但是，如果每个 function 都要你这样写，你不会觉得很烦吗 ? 比方说，我们在写 driver 时，很多人都会用到 printk 这个 function。这是 kernel 所提供的 function。它的功能跟 printf 很像。用法也几乎都一样。是 debug 时很好用的东西。如果我们 module 里用了一百次 printk，那是不是我们也要打一百次的 printk_Rdd132261 呢 ? 当然不是，聪明的人马上会想到用 #define printk printk_Rdd132261 就好了嘛。所以啰，Linux 很体贴的帮我们做了这件事。 如果各位的系统有将 set version 的选项打开的话，那大家可以到 /usr/src/linux/include/linux/modules 这个目录底下。这个目录底下有所多的 ..ver档案。这些档案其实就是用来做 #define 用的。我们来看看 ksyms.ver 这个档案里，里面有一行是这样子的 : #define printk _set_ver(printk) set_ver 是一个 macro，就是用来在 printk 后面加上 version number 的。有兴趣的朋友可以自行去观看这个 macro 的写法。用了这些 ver 檔，我们就可以在 module 里直接使用 printk 这样的名字了。而这些 ver 档会自动帮我们做好 #define 的动作。可是，我们可以发现这个目录有很多很多的 ver 檔。有时候，我们怎幺知道我们要呼叫的 function 是在那个 ver 档里有定义呢 ? Linux 又帮我们做了一件事。/usr/src/linux/include/linux/modversions.h 这个档案已经将全部的 ver 档都加进来了。所以在我们的 module 里只要 include 这个档，那名字的问题都解决了。但是，在此，我们奉劝各位一件事，不要将 modversions.h 这个档在 module 里 include 进来，如果真的要，那也要加上以下数行: #ifdef MODVERSIONS #include #endif 加入这三行的原因是，避免这个 module 在没有设定 kernel version 的系统上，将 modversions.h 这个档案 include 进来。各位可以去试试看，当你把 set version 的选项关掉时，modversions.h 和 modules 这个目录都会不见。如果没有上面三行，那 compile 就不会过关。所以一般来讲，modversions.h 我们会选择在 compile 时传给 gcc 使用。就像下面这个样子。 gcc -c -D__KERNEL__ -DMODULE -DMODVERSIONS main.c \ -include usr/src/linux/include/linux/modversions.h 在这个 command line 里，我们看到了 -D__KERNEL__，这是说要定义 __KERNEL__ 这个 constant。很多跟 kernel 有关的 header file，都必须要定义这个 constant 才能 include 的。所以建议你最好将它定义起来。另外还有一个 -DMODVERSIONS。这个 constant 我刚才忘了讲。刚才我们说要解决 fucntion 或 variable 名字 encode 的方式就是要 include modversions.h，其实除此之外，你还必须定义 MODVERSIONS 这个 constant。再来就是 MODULE 这个 constant。其实，只要是你要写 module 就一定要定义这个变量。而且你还要 include module.h 这个档案，因为 _set_ver 就是定义在这里的。 讲到这里，相信各位应该对 module 有一些认识了，以后遇到 module unresolved 应该不会感到困惑了，应该也有办法解决了。 刚才讲的都是使用别人的 function 上遇到的名字 encode 问题。但是，如果我们自己的 module 想
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