从 0 开始学 Linux 驱动开发(一)
作者：Hcamael@知道创宇404实验室
最近在搞IoT的时候，因为没有设备，模拟跑固件经常会缺/dev/xxx，所以我就开始想，我能不能自己写一个驱动，让固件能跑起来？因此，又给自己挖了一个很大坑，不管最后能不能达到我的初衷，能学到怎么开发Linux驱动，也算是有很大的收获了。
前言
我写的这个系列以实践为主，不怎么谈理论，理论可以自己去看书，我是通过《Linux Device Drivers》这本书学的驱动开发，Github上有这本书中讲解的实例的代码[1]。
虽然我不想谈太多理论，但是关于驱动的基本概念还是要有的。Linux系统分为内核态和用户态，只有在内核态才能访问到硬件设备，而驱动可以算是内核态中提供出的API，供用户态的代码访问到硬件设备。
有了基本概念以后，我就产生了一系列的问题，而我就是通过我的这一系列的问题进行学习的驱动开发：
- 一切代码的学习都是从Hello World开始的，怎么写一个Hello World的程序？
- 驱动是如何在/dev下生成设备文件的？
- 驱动怎么访问实际的硬件？
- 因为我毕竟是搞安全的，我会在想，怎么获取系统驱动的代码？或者没有代码那能逆向驱动吗？驱动的二进制文件储存在哪？以后有机会可能还可以试试搞驱动安全。
Everything start from Hello World
提供我的Hello World代码[2]：
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#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); MODULE_AUTHOR("Hcamal"); int hello_init(void) { printk(KERN_INFO "Hello World\n"); return 0; } void hello_exit(void) { printk(KERN_INFO "Goodbye World\n"); } module_init(hello_init); module_exit(hello_exit); |
Linux下的驱动是使用C语言进行开发的，但是和我们平常写的C语言也有不同，因为我们平常写的C语言使用的是Libc库，但是驱动是跑在内核中的程序，内核中却不存在libc库，所以要使用内核中的库函数。
比如printk可以类比为libc中的printf，这是在内核中定义的一个输出函数，但是我觉得更像Python里面logger函数，因为printk的输出结果是打印在内核的日志中，可以使用dmesg命令进行查看
驱动代码只有一个入口点和一个出口点，把驱动加载到内核中，会执行module_init函数定义的函数，在上面代码中就是hello_init函数。当驱动从内核被卸载时，会调用module_exit函数定义的函数，在上面代码中就是hello_exit函数。
上面的代码就很清晰了，当加载驱动时，输出Hello World，当卸载驱动时，输出Goodbye World
PS：MODULE_LICENSE和MODULE_AUTHOR这两个不是很重要，我又不是专业开发驱动的，所以不用关注这两个
PSS: printk输出的结果要加一个换行，要不然不会刷新缓冲区
编译驱动
驱动需要通过make命令进行编译，Makefile如下所示:
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ifneq ($(KERNELRELEASE),) obj-m := hello.o else KERN_DIR ?= /usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)/ PWD := $(shell pwd) default: $(MAKE) -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) modules endif clean: rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions |
一般情况下，内核的源码都存在与/usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)/目录下
比如：
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$ uname -r 4.4.0-135-generic /usr/src/linux-headers-4.4.0-135/ --> 该内核源码目录 /usr/src/linux-headers-4.4.0-135-generic/ --> 该内核编译好的源码目录 |
而我们需要的是编译好后的源码的目录，也就是/usr/src/linux-headers-4.4.0-135-generic/
驱动代码的头文件都需要从该目录下进行搜索
M=$(PWD)该参数表示，驱动编译的结果输出在当前目录下
最后通过命令obj-m := hello.o，表示把hello.o编译出hello.ko, 这个ko文件就是内核模块文件
加载驱动到内核
需要使用到的一些系统命令：
lsmod: 查看当前已经被加载的内核模块insmod: 加载内核模块，需要root权限rmmod: 移除模块
比如:
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# insmod hello.ko // 把hello.ko模块加载到内核中 # rmmod hello // 把hello模块从内核中移除 |
旧版的内核就是使用上面这样的方法进行内核的加载与移除，但是新版的Linux内核增加了对模块的验证，当前实际的情况如下:
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# insmod hello.ko insmod: ERROR: could not insert module hello.ko: Required key not available |
从安全的角度考虑，现在的内核都是假设模块为不可信的，需要使用可信的证书对模块进行签名，才能加载模块
解决方法用两种:
- 进入BIOS，关闭UEFI的Secure Boot
- 向内核添加一个自签名证书，然后使用证书对驱动模块进行签名，参考[3]
查看结果
在/dev下增加设备文件
同样先提供一份代码，然后讲解这份实例代码[4]
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#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> /* printk() */ #include <linux/slab.h> /* kmalloc() */ #include <linux/fs.h> /* everything... */ #include <linux/errno.h> /* error codes */ #include <linux/types.h> /* size_t */ #include <linux/fcntl.h> /* O_ACCMODE */ #include <linux/cdev.h> #include <asm/uaccess.h> /* copy_*_user */ MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); MODULE_AUTHOR("Hcamael"); int scull_major = 0; int scull_minor = 0; int scull_nr_devs = 4; int scull_quantum = 4000; int scull_qset = 1000; struct scull_qset { void **data; struct scull_qset *next; }; struct scull_dev { struct scull_qset *data; /* Pointer to first quantum set. */ int quantum; /* The current quantum size. */ int qset; /* The current array size. */ unsigned long size; /* Amount of data stored here. */ unsigned int access_key; /* Used by sculluid and scullpriv. */ struct mutex mutex; /* Mutual exclusion semaphore. */ struct cdev cdev; /* Char device structure. */ }; struct scull_dev *scull_devices; /* allocated in scull_init_module */ /* * Follow the list. */ struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev *dev, int n) { struct scull_qset *qs = dev->data; /* Allocate the first qset explicitly if need be. */ if (! qs) { qs = dev->data = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL); if (qs == NULL) return NULL; memset(qs, 0, sizeof(struct scull_qset)); } /* Then follow the list. */ while (n--) { if (!qs->next) { qs->next = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL); if (qs->next == NULL) return NULL; memset(qs->next, 0, sizeof(struct scull_qset)); } qs = qs->next; continue; } return qs; } /* * Data management: read and write. */ ssize_t scull_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { struct scull_dev *dev = filp->private_data; struct scull_qset *dptr; /* the first listitem */ int quantum = dev->quantum, qset = dev->qset; int itemsize = quantum * qset; /* how many bytes in the listitem */ int item, s_pos, q_pos, rest; ssize_t retval = 0; if (mutex_lock_interruptible(&dev->mutex)) return -ERESTARTSYS; if (*f_pos >= dev->size) goto out; if (*f_pos + count > dev->size) count = dev->size - *f_pos; /* Find listitem, qset index, and offset in the quantum */ item = (long)*f_pos / itemsize; rest = (long)*f_pos % itemsize; s_pos = rest / quantum; q_pos = rest % quantum; /* follow the list up to the right position (defined elsewhere) */ dptr = scull_follow(dev, item); if (dptr == NULL || !dptr->data || ! dptr->data[s_pos]) goto out; /* don't fill holes */ /* read only up to the end of this quantum */ if (count > quantum - q_pos) count = quantum - q_pos; if (raw_copy_to_user(buf, dptr->data[s_pos] + q_pos, count)) { retval = -EFAULT; goto out; } *f_pos += count; retval = count; out: mutex_unlock(&dev->mutex); return retval; } ssize_t scull_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { struct scull_dev *dev = filp->private_data; struct scull_qset *dptr; int quantum = dev->quantum, qset = dev->qset; int itemsize = quantum * qset; int item, s_pos, q_pos, rest; ssize_t retval = -ENOMEM; /* Value used in "goto out" statements. */ if (mutex_lock_interruptible(&dev->mutex)) return -ERESTARTSYS; /* Find the list item, qset index, and offset in the quantum. */ item = (long)*f_pos / itemsize; rest = (long)*f_pos % itemsize; s_pos = rest / quantum; q_pos = rest % quantum; /* Follow the list up to the right position. */ dptr = scull_follow(dev, item); if (dptr == NULL) goto out; if (!dptr->data) { dptr->data = kmalloc(qset * sizeof(char *), GFP_KERNEL); if (!dptr->data) goto out; memset(dptr->data, 0, qset * sizeof(char *)); } if (!dptr->data[s_pos]) { dptr->data[s_pos] = kmalloc(quantum, GFP_KERNEL); if (!dptr->data[s_pos]) goto out; } /* Write only up to the end of this quantum. */ if (count > quantum - q_pos) count = quantum - q_pos; if (raw_copy_from_user(dptr->data[s_pos]+q_pos, buf, count)) { retval = -EFAULT; goto out; } *f_pos += count; retval = count; /* Update the size. */ if (dev->size < *f_pos) dev->size = *f_pos; out: mutex_unlock(&dev->mutex); return retval; } /* Beginning of the scull device implementation. */ /* * Empty out the scull device; must be called with the device * mutex held. */ int scull_trim(struct scull_dev *dev) { struct scull_qset *next, *dptr; int qset = dev->qset; /* "dev" is not-null */ int i; for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next) { /* all the list items */ if (dptr->data) { for (i = 0; i < qset; i++) kfree(dptr->data[i]); kfree(dptr->data); dptr->data = NULL; } next = dptr->next; kfree(dptr); } dev->size = 0; dev->quantum = scull_quantum; dev->qset = scull_qset; dev->data = NULL; return 0; } int scull_release(struct inode *inode, struct file *filp) { printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) success release minor(%u) file\n", current->pid, current->comm, iminor(inode)); return 0; } /* * Open and close */ int scull_open(struct inode *inode, struct file *filp) { struct scull_dev *dev; /* device information */ dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev); filp->private_data = dev; /* for other methods */ /* If the device was opened write-only, trim it to a length of 0. */ if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY) { if (mutex_lock_interruptible(&dev->mutex)) return -ERESTARTSYS; scull_trim(dev); /* Ignore errors. */ mutex_unlock(&dev->mutex); } printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) success open minor(%u) file\n", current->pid, current->comm, iminor(inode)); return 0; } /* * The "extended" operations -- only seek. */ loff_t scull_llseek(struct file *filp, loff_t off, int whence) { struct scull_dev *dev = filp->private_data; loff_t newpos; switch(whence) { case 0: /* SEEK_SET */ newpos = off; break; case 1: /* SEEK_CUR */ newpos = filp->f_pos + off; break; case 2: /* SEEK_END */ newpos = dev->size + off; break; default: /* can't happen */ return -EINVAL; } if (newpos < 0) return -EINVAL; filp->f_pos = newpos; return newpos; } struct file_operations scull_fops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = scull_llseek, .read = scull_read, .write = scull_write, // .unlocked_ioctl = scull_ioctl, .open = scull_open, .release = scull_release, }; /* * Set up the char_dev structure for this device. */ static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index) { int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index); cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops); dev->cdev.owner = THIS_MODULE; dev->cdev.ops = &scull_fops; err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1); /* Fail gracefully if need be. */ if (err) printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index); else printk(KERN_INFO "scull: %d add success\n", index); } void scull_cleanup_module(void) { int i; dev_t devno = MKDEV(scull_major, scull_minor); /* Get rid of our char dev entries. */ if (scull_devices) { for (i = 0; i < scull_nr_devs; i++) { scull_trim(scull_devices + i); cdev_del(&scull_devices[i].cdev); } kfree(scull_devices); } /* cleanup_module is never called if registering failed. */ unregister_chrdev_region(devno, scull_nr_devs); printk(KERN_INFO "scull: cleanup success\n"); } int scull_init_module(void) { int result, i; dev_t dev = 0; /* * Get a range of minor numbers to work with, asking for a dynamic major * unless directed otherwise at load time. */ if (scull_major) { dev = MKDEV(scull_major, scull_minor); result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull"); } else { result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs, "scull"); scull_major = MAJOR(dev); } if (result < 0) { printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %d\n", scull_major); return result; } else { printk(KERN_INFO "scull: get major %d success\n", scull_major); } /* * Allocate the devices. This must be dynamic as the device number can * be specified at load time. */ scull_devices = kmalloc(scull_nr_devs * sizeof(struct scull_dev), GFP_KERNEL); if (!scull_devices) { result = -ENOMEM; goto fail; } memset(scull_devices, 0, scull_nr_devs * sizeof(struct scull_dev)); /* Initialize each device. */ for (i = 0; i < scull_nr_devs; i++) { scull_devices[i].quantum = scull_quantum; scull_devices[i].qset = scull_qset; mutex_init(&scull_devices[i].mutex); scull_setup_cdev(&scull_devices[i], i); } return 0; /* succeed */ fail: scull_cleanup_module(); return result; } module_init(scull_init_module); module_exit(scull_cleanup_module); |
知识点1 -- 驱动分类
驱动分为3类，字符设备、块设备和网口接口，上面代码举例的是字符设备，其他两种，之后再说。
如上图所示，brw-rw----权限栏，b开头的表示块设备(block)，c开头的表示字符设备(char)
知识点2 -- 主次编号
主编号用来区分驱动，一般主编号相同的表示由同一个驱动程序控制。
一个驱动中能创建多个设备，用次编号来区分。
主编号和次编号一起，决定了一个驱动设备。
如上图所示,
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brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Dec 17 13:02 sda brw-rw---- 1 root disk 8, 1 Dec 17 13:02 sda1 |
设备sda和sda1的主编号为8，一个此编号为0一个此编号为1
知识点3 -- 驱动是如何提供API的
在我的概念中，驱动提供的接口是/dev/xxx，在Linux下Everything is File，所以对驱动设备的操作其实就是对文件的操作，所以一个驱动就是用来定义，打开/读/写/......一个/dev/xxx将会发生啥，驱动提供的API也就是一系列的文件操作。
有哪些文件操作？都被定义在内核<linux/fs.h>[5]头文件中，file_operations结构体
上面我举例的代码中：
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struct file_operations scull_fops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = scull_llseek, .read = scull_read, .write = scull_write, .open = scull_open, .release = scull_release, }; |
我声明了一个该结构体，并赋值，除了owner，其他成员的值都为函数指针
之后我在scull_setup_cdev函数中，使用cdev_add向每个驱动设备，注册该文件操作结构体
比如我对该驱动设备执行open操作，则会去执行scull_open函数，相当于hook了系统调用中的open函数
知识点4 -- 在/dev下生成相应的设备
对上面的代码进行编译，得到scull.ko，然后对其进行签名，最后使用insmod加载进内核中
查看是否成功加载：
虽然驱动已经加载成功了，但是并不会在/dev目录下创建设备文件，需要我们手动使用mknod进行设备链接:
总结
在该实例中，并没有涉及到对实际物理设备的操作，只是简单的使用kmalloc在内核空间申请一块内存。代码细节上的就不做具体讲解了，都可以通过查头文件或者用Google搜出来。
再这里分享一个我学习驱动开发的方法，首先看书把基础概念给弄懂，细节到需要用到的时候再去查。
比如，我不需要知道驱动一共能提供有哪些API(也就是file_operations结构都有啥)，我只要知道一个概念，驱动提供的API都是一些文件操作，而文件操作，目前我只需要open, close, read, write，其他的等有需求，要用到的时候再去查。
参考
- https://github.com/jesstess/ldd4
- https://raw.githubusercontent.com/Hcamael/Linux_Driver_Study/master/hello.c
- https://jin-yang.github.io/post/kernel-modules.html
- https://raw.githubusercontent.com/Hcamael/Linux_Driver_Study/master/scull.c
- https://raw.githubusercontent.com/torvalds/linux/master/include/linux/fs.h
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