操作系统基础 | 4.7 内核模块实验

发表于 更新于 分类于 ，

可加载的内核模块

练习 1

准备好实验报告

练习 2: 编译内核模块

  1. 步骤: 
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    # 在 Linux Lab 集群上
    mkdir -p /project/scratch01/compile/your-username/modules
    cd /project/scratch01/compile/your-username/modules
    # 保存 simple_module.c 和 Makefile (内容: obj-m := simple_module.o)
    module add arm-rpi
    export LINUX_SOURCE=/path/to/your/linux_source/linux # 设置内核源码路径
    make -C $LINUX_SOURCE ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- M=$PWD modules
  2. 答案: 提交 make 命令的完整输出。

练习 3: 加载模块与系统日志

  1. 步骤 (在树莓派上): 
    1
    2
    3
    4
    5
    mkdir ~/modules
    # 使用 sftp 将 simple_module.ko 传输到此目录
    sudo dmesg --clear
    sudo insmod ~/modules/simple_module.ko
    dmesg # 查看日志
  2. 答案: 提交 dmesg 中显示的模块加载信息。

练习 4: 验证模块列表与卸载

  1. 步骤: 
    1
    2
    3
    4
    lsmod # 确认 simple_module 在列表中
    sudo rmmod simple_module
    lsmod # 确认已移除
    dmesg # 查看卸载信息
  2. 答案: 提交 lsmod 的输出（证明已卸载）和 dmesg 中显示的模块卸载信息。

练习 5: 访问内核变量 jiffies

  1. 步骤:
    • 复制 simple_module.c 为 jiffies_module.c。
    • 修改其 init 和 exit 函数，使用 printk 打印 jiffies 变量（类型 extern unsigned long volatile jiffies;）。
    • 更新 Makefile: obj-m += jiffies_module.o。
    • 重新编译并传输 jiffies_module.ko 到树莓派。
    • 加载并卸载模块，观察 dmesg。
  2. 答案:
    • 提交 dmesg 中显示加载和卸载时 jiffies 值的日志消息。
    • 计算并说明两条消息之间发生的滴答数（tick count）。

需提交的内容

请提交一个包含以下内容的压缩包或文档： 1. 答案文件: 包含上述所有练习的答案。 2. 源代码文件: 你新创建的 jiffies_module.c 文件。

可选拓展练习

练习 6: 模块初始化返回值实验

  • 任务: 修改 init 函数，使其分别返回正数和负数（错误码，参见 /include/uapi/asm-generic/errno-base.h）。
  • 提示: 描述加载模块时发生的情况及其在系统日志中的表现。

练习 7: 探查导出的内核符号

  • 任务: 查看 /proc/kallsyms 文件（例如 cat /proc/kallsyms），了解内核符号表。查找带有 __kstrtab_ 和 __ksymtab_ 前缀的符号（这些是可供模块使用的导出符号）。
  • 提示: 内核符号是 Linux 内核代码中定义的函数、变量、数据结构等的名称标签。它们代表了在内核地址空间中的一个特定内存地址。 可以将内核符号理解为内核的“公共接口”或“入口点”。主要有两种类型：
  • 导出的符号：这些是内核明确声明为可以被外部模块使用的符号。例如，printk（内核的 printf）、kmalloc（内核的内存分配函数）等。模块通过使用 EXPORT_SYMBOL() 或 EXPORT_SYMBOL_GPL() 宏来导出它们的符号，以便其他模块可以使用。
  • 非导出的符号：这些是内核内部的静态函数或变量，只在它们被定义的文件或内核的特定部分中使用。它们对于内核模块是不可见的，主要用于内核自身的组织
  • EXPORT_SYMBOL(printk) 在编译后创建了两个内部符号：__ksymtab_printk 和 __kstrtab_printk。
    • __ksymtab_printk 是一个结构体，包含了 printk 的地址和指向 __kstrtab_printk 的指针。
    • __kstrtab_printk 是一个字符串，存储着 printk 的名字。
  • 内核使用这个结构来高效地通过名字查找函数的地址

练习 8: 实现用户态读取 CPU 周期计数器 (CCNT) 的模块

  • 任务 (如果之前在系统调用工作室未完成):
    • 将提供的驱动文件放入你的内核源码树的 arch/arm/include/asm 目录。
    • 下载 enable_ccnt.c 内核模块代码到你的模块目录。
    • 编译、传输并加载此模块 (insmod enable_ccnt.ko)。
    • 使用 dmesg | tail 验证加载成功。
  • 任务 (主要部分):
    • 在树莓派上创建一个用户态程序。
    • 该程序应 #include 你获取的驱动头文件。
    • 调用 unsigned long long pmccntr_get(void) 函数两次。
  • 答案:
    • 说明运行一次 pmccntr_get() 函数大约需要多少 CPU 周期（计算两次调用的差值）。
    • 如果你在系统调用工作室完成过类似的练习，请对比直接调用此函数与通过系统调用获取周期计数所需的周期数。