Hello World †

ほぼ何もしない "Hello World" プログラムを作って Linux Kernel に組み込む単純なモジュールの作り方を見ていきます。まだ、デバイスドライバには遠いです。

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ソースコード †

file添付ファイル に一式をまとめておきます。C 言語で実行部を、Makefile で構築手順を書きます。Makefile を書かずにコンパイルできるかというと、自分では試したことがないです。煩雑な記述をした割には得るものが無いでしょう。

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実行部 †

filehello_world.c
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#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
 
/*
 * Tutorial hello world module init.
 * @return int == 0: Success. 
 *             < 0:  Fail, negative errno number.
 */
static int __init hello_world_init(void)
{       printk(KERN_INFO "%s: Hello world.\n", __func__);
        return 0;
}
 
/*
 * Tutorial hello world module exit.
 * @return void
 */
static void __exit hello_world_exit(void)
{       printk(KERN_INFO "%s: Goodbye world.\n", __func__);
}
 
module_init(hello_world_init);
module_exit(hello_world_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Tutorial hello world.");
MODULE_AUTHOR("Your name or email address.");
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Makefile †

fileMakefile
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# Build Tutorial hello world module.
# To try this tutorial.
# make
# sudo insmod hello_world.ko
# dmesg
# lsmod
# sudo rmmod hello_world.ko
# dmesg
# lsmod
 
KERNEL_SOURCE_TREE:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD:=$(shell pwd)
 
# specify object.
obj-m:=hello_world.o
 
.PHONY: modules clean # install
modules:
        make -C $(KERNEL_SOURCE_TREE) M=$(PWD) modules
 
clean:
        make -C $(KERNEL_SOURCE_TREE) M=$(PWD) clean
 
#install:
#       make -C $(KERNEL_SOURCE_TREE) M=$(PWD) install
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hello_world.c が userland アプリ・ケーションと違うところ †

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module_init, module_exit †

main() はありません。モジュールは Kernel に組み込まれる時 module_init() で指定した関数を実行します。モジュールが Kernel から外されるとき module_exit() で指定した関数を実行します。

モジュールが「組み込まれた」、「外された」時に呼ばれる仕掛けを作ることができるのは分りました。しかし、デバイス・ドライバを構成するにはまだ足りません。「ハードウエアにドライバが対応するデバイスが追加されたら」、あるいは、「モジュールが組み込まれた時点で既にドライバが対応するハードウエアが存在したら」、呼び出される様な仕掛けをまだ作っていません。後々 probe, remove と呼ばれる「メソッドのような関数」を見ていきます。

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printk †

printk は printf に相当する関数です。デバッグをするのに非常に有用な関数です。書式文字列を指定して書式文字列に続く引数の内容を表示します。書式文字列は printf とよく似ています。興味深く注意が必要な拡張は %p とその派生書式です。ここでは printk のヘッダファイル読み込みに linux/kernel.h を使用しました。もちろん、linux/printk.h を直接インクルードするのも良いでしょう。

printk に浮動小数点形式の書式が無い

printkの書式に浮動小数点形式はありません。kernel の中では double, float とその派生型は使えません。自分は実施したことが無いのですが、浮動小数点レジスタの値とこれに関係するコンテキストを保存・復帰すれば使えるはずです。ただし、処理の出入り口に実装する程度の簡単なことではなく、suspend/resume、コンテキスト・スイッチ、プロセッサ active/idle の状況などを細かに意識する必要が有ります。実装に問題があるとアプリケーションで行っている計算結果が不意にとんでもない値になるなど問題追跡が難しい状況に陥ります。

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__init, __exit †

関数に __init と __exit 修飾子がついています。 include/linux/init.h を読んでみると、広域変数に対して似たようなマクロ定義があることが判ります。__init と __exit 修飾子の目的は 次のようになります。

__init と __exit は Kernel のメモリ使用量をなるべく減らすために使われる修飾子です。

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KERN_INFO †

KERN_INFO は kernel message の表示レベルを意味します。include/linux/kern_levels.h には次のレベルが定義されています。おそらく普通に使うのは KERN_ERR より大きい Level 番号のメッセージでしょう。下の表の alternate function pr_xxx は printk に KERN_XXX マクロを組み合わせて定義したマクロです。デバイス・ドライバ向けに dev_xxx 関数も用意されています。dev_xxx はデバイスの場所や関連するコンテキストが格納された struct device を指すポインタを引数に渡します。

MacroLevelalternate functionalternate function
for device driver		Description
KERN_EMERG0pr_emergdev_emergsystem is unusable
KERN_ALERT1pr_alertdev_alertaction must be taken immediately
KERN_CRIT2pr_critdev_critcritical conditions
KERN_ERR3pr_errdev_errerror conditions
KERN_WARNING4pr_warn, pr_warningdev_warnwarning conditions
KERN_NOTICE5pr_noticedev_noticenormal but significant condition
KERN_INFO6pr_infodev_infoinformational
KERN_DEBUG7pr_debug, pr_develdev_dbgdebug-level messages
pr_debug, pr_devel, dev_dbg は DEBUG, CONFIG_DYNAMIC_DEBUG マクロにより、実装したコードそのものが削除されたり、/sys/kernel/debug/dynamic_debug/contol を通して動的に制御できる ようになります。

KERN_XXX は行の先頭で有効です

KERN_XXX は行の先頭にあるものが有効です。printk を何回か使い、行を分割して出力した場合に、途中に KERN_XXX を入れても効果がありません。途中に誤って入れても、致命的な問題は起こしません。表示やログファイルの内容が乱れるだけです。

/sys/kernel/debug の下に何もない

Linux ディストリビューションあるいは SoC メーカーが提供している Linux 環境によっては /sys/kernel/debug の下にノードが全くない場合が有ります。debugfs (debugfs の Kernel 内ヘッダ)というデバッグ専用のファイル・システムをマウントしてください。$ sudo mount -t debugfs none /sys/kernel/debug でマウントします。

/proc/sys/kernel/printk リンク先の printk 節を参照 にログレベルを書き込むことで console と ログファイル(厳密にはログ出力ノード /proc/kmsg (/proc/kmsg を実装している fs/proc/kmsg.c) に出力するレベルを制御できます。説明の中で順位に "Higher" とあるのは上記表 Level においてより小さい値です。

別のページで各種のデバッグ手法について集中的に説明する予定です。

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MODULE_LICENSE †

MODULE_LICENSE はモジュールのライセンスを指定します。このライセンスは シンボルの結合規則に関係しています。モジュールが結合可能な Kernel symbol は EXPORT_SYMBOL または EXPORT_SYMBOL_GPL によって Kernel から export されています。MODULE_LICENSE マクロの引数に指定する license 文字列と結合可能なシンボルは次の通りです。

license 文字列モジュールから結合可能な Kernel symbol export 方法
"GPL", "GPL v2", "GPL and additional rights", "Dual BSD/GPL", "Dual MIT/GPL", "Dual MPL/GPL"EXPORT_SYMBOL, EXPORT_SYMBOL_GPL
ProprietaryEXPORT_SYMBOL

ライセンスの宣言通り、ソースコードを配布できるようにする必要が有ります。

モジュールのソースを公開したくなければ "Proprietary" を指定します。このようにすると、結合可能なシンボルは限られます。開発段階で "GPL"を指定し、リリース直前に "Proprietary" を指定すると結合できないシンボルが出てきて、実装し直しあるいはライセンス変更と言った混乱が発生します。

Kernel に静的に結合する場合

Kernel に静的に結合する場合は結合先のシンボルが EXPORT_SYMBOL または EXPORT_SYMBOL_GPL で宣言されていなくても結合できます。ただし、結合させようとするコードのライセンスは GPL または GPL ライセンスのコードと(結合可能と見なされるライセンス include/linux/module.h 参照)でリリースする必要が有ります。

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MODULE_DESCRIPTION, MODULE_AUTHOR †

MODULE_DESCRIPTION, MODULE_AUTHOR はそれぞれモジュールの説明、モジュールの作者を設定します。 MODULE_AUTHOR は、フルネーム、メールアドレス、会社名などを入れます。ソース・コードに現れる例を参考に設定して下さい。これらの設定はモジュールの動作に影響を与えません。設定内容は次のコマンドで確かめることができます。

$  /sbin/modinfo module_name_or_module_path
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Linux Kernel に動的に組み込むモジュールとして作成する †

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Makefile を書く †

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Linux Kernel に組み込む †

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何も起きない？ dmesg で確かめよう †

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printk は何処と結合しているの？ †

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多重に組み込めない †

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Hello Friend †

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パラメータを入力する †

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エラーを返してみよう †

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