Linux 核心管理與驅動程式編譯指南

Linux 核心（Kernel）管理與驅動程式編譯是高級 Linux 開發與系統管理的關鍵技能。本篇將介紹如何編譯核心、開發與編譯驅動程式，並提供詳細的指令與測試方式。

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目錄

• 準備核心編譯環境
• 下載與配置 Linux 核心
• 編譯與安裝 Linux 核心
• 驅動程式基礎概念
• 編寫與編譯簡單驅動程式
• 載入與卸載驅動程式
• 進階驅動開發
• 驅動程式除錯與測試
• 結語

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準備核心編譯環境

首先，確保系統具備編譯核心與驅動程式所需的工具。

安裝必要的套件

sudo dnf install -y gcc make flex bison elfutils-libelf-devel openssl-devel ncurses-devel bc git perl

檢查系統核心版本

uname -r

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下載與配置 Linux 核心

下載官方核心源碼

cd /usr/src/
sudo git clone --depth=1 https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git linux-kernel
cd linux-kernel

複製當前系統的核心配置

cp -v /boot/config-$(uname -r) .config
make oldconfig

自訂核心配置（可選）

make menuconfig

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編譯與安裝 Linux 核心

編譯核心

make -j$(nproc)

安裝核心模組

sudo make modules_install

安裝核心

sudo make install

更新 GRUB 並重啟

sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
sudo reboot

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驅動程式基礎概念

驅動程式類型

• 字元設備驅動（Character Device）
• 區塊設備驅動（Block Device）
• 網路驅動（Network Driver）

核心模組管理指令

• 列出已載入的模組：lsmod
• 載入模組：sudo insmod module.ko
• 卸載模組：sudo rmmod module
• 查詢模組資訊：modinfo module.ko

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編寫與編譯簡單驅動程式

建立 hello_world.c 驅動程式

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Linux Expert");
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Hello World Kernel Module");

建立 Makefile

obj-m := hello_world.o

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

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

clean:
    rm -f *.ko *.mod.* *.o *.symvers *.order

編譯驅動程式

make

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載入與卸載驅動程式

載入驅動模組

sudo insmod hello_world.ko

驗證驅動是否載入

lsmod | grep hello_world

查看核心日誌輸出

dmesg | tail -20

卸載驅動模組

sudo rmmod hello_world

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進階驅動開發

開發字符設備驅動

1. 註冊 cdev 設備
2. 設定 file_operations 結構
3. 設定 /dev 入口

開發 PCI 驅動

1. 掃描 PCI 設備 lspci -nn
2. 使用 pci_register_driver() 註冊驅動

開發 USB 驅動

1. 掃描 USB 設備 lsusb
2. 設定 usb_driver 結構

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驅動程式除錯與測試

啟用核心除錯模式

sudo dmesg -n 7

使用 gdb 偵錯核心模組

gdb vmlinux

使用 ftrace 追蹤函數調用

sudo mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

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結語

本篇提供了 Linux 核心管理與驅動程式編譯的完整指南，包括核心編譯、驅動開發、載入與除錯技巧。透過這些技術，您可以深入理解 Linux 核心並開發高效能驅動模組。