[Linux] Linux 系统从启动到驱动加载

Linux 系统从启动到驱动加载

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一、硬件上电与 BIOS/UEFI 阶段

1. 1 硬件上电初始化

当计算机电源接通后：

• 电源供应器完成自检，向主板发送Power Good信号
• CPU从复位状态解除，寄存器被初始化为默认值（如x86架构的CS=0xF000，EIP=0xFFF0）
• 主板时钟发生器开始工作，提供稳定的时钟信号

1.2 BIOS/UEFI执行过程

BIOS/UEFI固件执行的主要任务：

• POST(Power-On Self Test)：

  • 检测关键硬件：CPU、内存、显卡等
  • 声卡发出"滴"声表示检测通过（不同BIOS厂商的提示音编码不同）
  • 对检测到的硬件生成设备列表（如通过ACPI表）

• 硬件初始化：

  • 配置内存控制器和初始化RAM
  • 初始化基本输入输出设备（键盘、显示器）
  • 设置中断向量表（IVT）或高级中断控制器（APIC）

• 引导设备选择：

  • 按照CMOS中存储的启动顺序（如：硬盘→USB→网络）
  • 读取每个设备的引导扇区（MBR或GPT分区表的引导记录）
  • 对于UEFI系统，会查找ESP分区中的/EFI/BOOT/BOOTx64.EFI文件

1.3 Bootloader加载细节

当BIOS/UEFI找到有效启动设备后：

• 传统BIOS会将MBR中的第一阶段引导程序（512字节）加载到内存0x7C00处
• UEFI则直接加载EFI应用程序到内存
• 对于GRUB2：
  • 第一阶段（boot.img）仅负责加载core.img
  • 第二阶段（core.img）包含基本文件系统驱动，用于定位/boot/grub
  • 最终加载grub.cfg配置文件并显示启动菜单

示例启动顺序：

1. 检测到SATA硬盘
2. 读取MBR中的引导代码
3. 加载GRUB的stage1 → stage1.5 → stage2
4. 显示GRUB菜单等待用户选择

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二、Bootloader 阶段

1. 引导加载器启动：

   • 系统 BIOS/UEFI 完成硬件初始化后，将控制权交给存储在 MBR 或 EFI 分区中的引导加载器（如 GRUB2）
   • 常见的引导加载器包括：
     • GRUB (Grand Unified Bootloader)
     • Syslinux
     • LILO (Linux Loader)
     • systemd-boot (适用于 UEFI 系统)

2. 内核加载过程：

   • 引导加载器读取其配置文件（如 GRUB 的 grub.cfg）
   • 加载压缩的内核镜像（通常在 /boot 目录下，命名为 vmlinuz-<版本号>）到内存
   • 同时加载 initramfs（Initial RAM Filesystem）镜像
   • 典型文件示例：

     /boot/vmlinuz-5.4.0-91-generic
     /boot/initrd.img-5.4.0-91-generic
     

3. 参数传递与内核启动：

   • 引导加载器向内核传递启动参数，常见参数包括：
     • root=：指定根文件系统设备（如 root=/dev/sda1）
     • init=：指定初始化程序路径（替代默认的 /sbin/init）
     • quiet：减少启动时内核信息输出
     • splash：显示启动画面
   • 内核解压过程：
     • 首先解压缩 zImage 或 bzImage 格式的内核
     • 然后加载必要的驱动和初始化临时根文件系统
   • 最终控制权转移到内核的入口点 start_kernel() 函数（位于 init/main.c）

4. initramfs 的作用：

   • 提供早期用户空间环境
   • 包含必要的驱动程序（如磁盘控制器、文件系统驱动）
   • 挂载真正的根文件系统
   • 在嵌入式系统中可能直接作为最终根文件系统使用

5. 特殊场景处理：

   • 加密根分区：需要 initramfs 包含解密工具
   • RAID/LVM：需要加载相应的模块
   • 网络启动：需要包含网络驱动程序

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三、Linux 内核初始化

3.1 架构相关初始化（setup_arch）

setup_arch() 是架构特定的初始化函数，主要负责：

• 解析硬件信息（如通过设备树获取CPU类型、内存布局等）
• 初始化物理内存管理（如建立memblock内存分配器）
• 设置处理器特殊功能（如开启MMU、缓存等）
• 架构相关的早期设备初始化（如SMP处理器初始化）

示例：在ARM架构中会初始化处理器异常向量表，x86架构则会检测和初始化ACPI。

3.2 核心子系统初始化

包括以下关键系统的初始化：

• 页表初始化：建立内核地址空间映射，包括：
  • 内核代码段映射
  • 设备I/O空间映射
  • 早期内存分配区域映射
• 中断控制器初始化：
  • 探测并初始化本地APIC/IOAPIC（x86）
  • GIC初始化（ARM）
  • 设置中断描述符表（IDT）
• 定时器子系统：
  • 初始化高精度定时器（hrtimer）
  • 设置系统时钟源（如HPET、TSC）
  • 校准CPU频率（loops_per_jiffy）

3.3 虚拟文件系统（VFS）初始化

VFS初始化流程：

1. 注册基础文件系统类型（如proc、sysfs、tmpfs）
2. 初始化dentry缓存和inode缓存
3. 挂载rootfs作为初始文件系统
4. 创建标准文件描述符（stdin/stdout/stderr）
5. 挂载实际根文件系统（通过root=内核参数指定）

3.4 内核线程创建

初始化的关键内核线程包括：

• kthreadd（内核线程守护进程，pid=2）
  • 负责创建和管理其他内核线程
  • 通过kthread_create()请求创建新线程
• 其他早期线程：
  • ksoftirqd（软中断处理线程）
  • kworker（工作队列线程）
  • migration（CPU迁移线程）
  • watchdog（看门狗监控线程）

这些初始化步骤完成后，内核将进入用户空间初始化阶段，启动第一个用户进程（通常是init或systemd）。

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四、驱动子系统初始化

4.1 设备模型初始化（driver_init）

该阶段主要完成内核设备模型的核心数据结构初始化，包括：

• kobject 子系统初始化，建立设备层次结构基础
• 设备类和属性文件系统的创建（/sys/class/）
• 内核对象引用计数机制的建立
• 设备号分配器的初始化（devtmpfs）

4.2 总线子系统注册

分平台总线类型进行初始化：

• platform_bus_init：

  • 注册平台总线类型(platform_bus_type)
  • 初始化 platform_device 和 platform_driver 的匹配机制
  • 创建/sys/bus/platform/目录结构
  • 典型应用场景：SoC内置设备（如GPIO控制器、时钟模块）

• pci_init：

  • PCI总线探测和枚举
  • PCI设备资源分配（IO空间、内存空间）
  • 建立PCI设备树结构
  • PCI设备驱动匹配机制初始化

4.3 早期驱动初始化（early platform drivers）

在基本设备模型建立后立即加载的关键驱动：

• 内存控制器驱动
• 串口调试驱动（earlycon）
• 时钟源驱动
• 中断控制器驱动
  这些驱动通过early_platform_init机制注册，具有以下特性：
• 在常规驱动加载前完成初始化
• 使用简化版的资源获取接口
• 通常通过命令行参数指定（如earlycon=uart8250,mmio,0xfe001000）

4.4 设备描述信息解析

根据系统类型采用不同配置机制：

设备树(DT)系统：

• 解析/boot/dtb文件或U-Boot传递的设备树
• 展开设备树节点为device_node结构
• 将设备树节点转换为platform_device
• 处理设备树中的中断映射、DMA范围等特殊属性

ACPI系统：

• 解析ACPI表（DSDT、SSDT等）
• 转换ACPI设备为平台设备
• 处理_PRT（中断路由）、_CRS（资源分配）等方法
• 支持ACPI电源管理扩展功能

两种系统最终都会生成统一的设备资源描述，包括：

• 内存映射区域
• 中断号
• DMA通道
• 时钟源
• 电源管理参数

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五、驱动加载与设备枚举

5.1 总线驱动扫描硬件设备

总线驱动负责识别和扫描连接的硬件设备。常见方式包括：

• PCI设备枚举：通过读取PCI配置空间（Configuration Space）获取设备Vendor ID、Device ID等信息
• 设备树解析（DT node parsing）：在ARM架构中解析设备树（Device Tree）的节点信息
• ACPI枚举：x86架构通过ACPI表获取设备信息
• USB总线枚举：通过USB协议发现连接的设备

示例：PCI枚举过程中会遍历所有总线号码（bus number），对每个设备/功能组合读取其配置寄存器。

5.2 设备与驱动匹配

内核通过driver_match_device()函数进行匹配，主要依据：

• 设备树中的compatible属性
• ACPI设备ID（HID/UID/CID）
• PCI设备的Vendor/Device ID
• 平台设备的名称匹配

匹配优先级通常为：设备树匹配 > ACPI匹配 > ID表格匹配 > 名称匹配。

5.3 驱动probe初始化

匹配成功后调用驱动的probe()函数进行：

1. 资源分配（内存、IRQ、DMA等）
2. 硬件初始化（寄存器配置、固件加载）
3. 设备特定设置（时钟、电源管理）
4. 子系统注册（如输入设备、网络设备等）

典型错误处理包括：检查资源可用性、逐步回滚失败操作。

5.4 创建设备节点

通过devtmpfs自动创建设备文件：

• 内核调用device_add()将设备注册到系统
• 根据设备类型（字符/块设备）创建/dev节点
• 设置正确的设备号（major/minor）
• 应用层可通过udev/mdev规则进一步配置节点属性

特殊设备可能还需要：

• sysfs属性文件（/sys/class/...）
• debugfs接口
• 用户空间通知机制（uevent）

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六、用户空间初始化

6.1 init 进程启动

内核最后阶段会启动第一个用户空间进程 init（PID=1），根据系统配置选用不同的 init 系统：

• systemd（现代主流发行版）：采用并行化的服务启动方式，提供单元(unit)管理
  • 读取 /etc/systemd/system/ 和 /usr/lib/systemd/system/ 下的单元文件
  • 启动基础目标(target)如 multi-user.target 或 graphical.target
• sysvinit（传统系统）：串行执行 /etc/init.d/ 中的启动脚本
  • 通过运行级别(runlevel)控制启动阶段
  • 典型流程：先挂载文件系统，再启动基础服务

6.2 udev 设备管理

udev 守护进程负责动态设备管理：

• 监听内核通过 netlink 发送的 uevent
• 处理设备热插拔事件（如 USB 插入）
• 根据 /etc/udev/rules.d/ 规则文件：
  • 创建设备节点（如 /dev/sda1）
  • 设置设备权限和所有者
  • 触发关联的硬件初始化脚本

6.3 驱动模块加载

通过 modprobe 机制加载用户态驱动模块：

• 读取 /etc/modprobe.d/ 配置文件
• 自动解决模块依赖关系
• 典型应用场景：
  • 加载文件系统驱动（如 ext4、ntfs）
  • 加载特殊硬件驱动（如 NVIDIA 显卡）
  • 加载网络协议栈模块

6.4 系统启动完成

完成所有初始化步骤后：

• 启动登录管理器（如 gdm、lightdm）进入图形界面
• 或显示文本登录提示符（tty1-6）
• 记录启动日志到 /var/log/boot.log
• 系统进入多用户模式，所有服务正常运行

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七、关键数据结构与函数

Linux设备驱动模型中的两个核心数据结构及其关系：

/*** struct device_driver - 驱动对象的基本表示* @name: 驱动名称，用于sysfs显示和模块匹配* @bus: 指向驱动所属的总线类型，如platform_bus_type* @probe: 驱动探测回调函数，当设备与驱动匹配时调用* * 示例：当注册i2c_driver时，需要设置这些字段*/
struct device_driver {const char *name;struct bus_type *bus;int (*probe)(struct device *dev);
};/*** struct bus_type - 总线类型的抽象表示* @name: 总线名称，如"platform"、"pci"等* @match: 总线匹配函数，用于判断设备和驱动是否兼容* * 总线负责管理其下的设备和驱动，典型的匹配过程：* 1. 设备注册时，总线遍历所有驱动，调用match函数* 2. 驱动注册时，总线遍历所有设备，调用match函数* 3. 匹配成功则调用驱动的probe函数*/
struct bus_type {char *name;int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
};

工作流程说明：

1. 系统初始化时会注册各种总线类型(platform/pci/i2c等)
2. 驱动开发者编写驱动时：
   • 定义device_driver结构体实例
   • 实现probe函数进行设备初始化
   • 向总线注册该驱动
3. 当匹配发生时，总线层会：
   • 通过match函数验证设备和驱动的兼容性
   • 调用驱动的probe函数初始化设备
   • 建立sysfs中的设备-驱动关联

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八、典型驱动加载流程示例

以下是一个完整的 PCI 设备驱动加载流程示例，展示了从驱动注册到设备初始化的关键步骤：

// 1. 定义设备ID表，用于匹配支持的PCI设备
static const struct pci_device_id my_pci_ids[] = {{ PCI_DEVICE(0x10AB, 0x1100), .driver_data = 0 },  // 厂商ID 0x10AB，设备ID 0x1100{ PCI_DEVICE(0x10AB, 0x1200), .driver_data = 0 },  // 另一个兼容设备{ 0, }  // 结束标记
};// 2. 定义驱动操作函数
static int my_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id)
{int retval;// 使能PCI设备retval = pci_enable_device(pdev);if (retval) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to enable PCI device\n");return retval;}// 获取设备资源（如内存区域、中断号等）// ...具体设备初始化代码...dev_info(&pdev->dev, "Device successfully initialized\n");return 0;
}static void my_remove(struct pci_dev *pdev)
{// 释放资源，关闭设备// ...清理代码...pci_disable_device(pdev);dev_info(&pdev->dev, "Device removed\n");
}// 3. 定义PCI驱动结构体
static struct pci_driver my_driver = {.name     = "my_device",      // 驱动名称.id_table = my_pci_ids,       // 设备匹配表.probe    = my_probe,         // 设备发现时的回调.remove   = my_remove,        // 设备移除时的回调// 可选：.suspend/.resume 等电源管理回调
};// 4. 注册PCI驱动
module_pci_driver(my_driver);// 5. 模块信息
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, my_pci_ids);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Sample PCI Device Driver");

典型工作流程：

1. 内核加载驱动模块时调用module_pci_driver宏注册驱动
2. 内核遍历PCI总线，将每个设备与id_table进行匹配
3. 找到匹配设备后，调用probe函数初始化设备
4. 设备使用期间可能触发中断/处理请求
5. 设备移除或模块卸载时调用remove函数清理资源

注意事项：

• 必须实现基本的probe/remove函数对
• 需要正确处理设备使能/禁用流程
• 建议添加适当的错误处理和资源管理
• 现代驱动通常还需要实现电源管理回调

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九、调试与故障排查

9.1 查看内核启动日志（dmesg）

dmesg命令是排查驱动程序问题的首选工具，它显示内核环形缓冲区中的消息。典型使用场景包括：

• 查看驱动加载时的初始化信息：dmesg | grep <驱动模块名>
• 跟踪设备插拔事件：dmesg -w（实时监控）
• 检查错误信息：dmesg --level=err,warn
• 清空缓冲区：dmesg -c（需要root权限）

9.2 检查 sysfs 设备信息（/sys/devices）

sysfs文件系统提供了设备树的详细信息：

/sys/devices/
├── platform
│   └── <设备名>/
│       ├── driver -> ../../../bus/platform/drivers/<驱动名>
│       ├── modalias
│       └── power/

重要检查项：

• 设备是否被正确识别：ls /sys/bus/<总线类型>/devices
• 驱动绑定状态：查看设备目录下的driver符号链接
• 设备参数：如/sys/class/gpio/gpio<N>/下的各种属性文件

9.3 使用 udevadm 监控设备事件

udev工具链的典型应用：

# 监控所有设备事件
udevadm monitor# 查看特定设备属性
udevadm info -a -p /sys/class/net/eth0# 触发设备重扫描
udevadm trigger

关键调试场景：

• 检查规则匹配：udevadm test /sys/class/<设备类>/<设备名>
• 验证热插拔事件处理
• 调试udev规则执行过程

9.4 动态加载/卸载驱动模块（insmod/rmmod）

驱动模块管理操作流程：

# 加载模块（需.ko文件路径）
sudo insmod module.ko [参数名=参数值]# 查看已加载模块
lsmod | grep <模块名># 卸载模块（需确保无设备在使用）
sudo rmmod module# 更常用的modprobe工具
sudo modprobe module_name
sudo modprobe -r module_name

注意事项：

• 模块参数可以通过/sys/module/<模块名>/parameters/查看或修改
• 依赖关系处理：modprobe会自动解决依赖
• 查看模块信息：modinfo <模块名>
• 常见错误：模块版本不匹配、符号未导出、资源冲突等

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