Linux 系统从启动到驱动加载
文章目录
- Linux 系统从启动到驱动加载
- 一、硬件上电与 BIOS/UEFI 阶段
- 1. 1 硬件上电初始化
- 1.2 BIOS/UEFI执行过程
- 1.3 Bootloader加载细节
- 二、Bootloader 阶段
- 三、Linux 内核初始化
- 3.1 架构相关初始化（setup_arch）
- 3.2 核心子系统初始化
- 3.3 虚拟文件系统（VFS）初始化
- 3.4 内核线程创建
- 四、驱动子系统初始化
- 4.1 设备模型初始化（driver_init）
- 4.2 总线子系统注册
- 4.3 早期驱动初始化（early platform drivers）
- 4.4 设备描述信息解析
- 五、驱动加载与设备枚举
- 5.1 总线驱动扫描硬件设备
- 5.2 设备与驱动匹配
- 5.3 驱动probe初始化
- 5.4 创建设备节点
- 六、用户空间初始化
- 6.1 init 进程启动
- 6.2 udev 设备管理
- 6.3 驱动模块加载
- 6.4 系统启动完成
- 七、关键数据结构与函数
- 八、典型驱动加载流程示例
- 九、调试与故障排查
- 9.1 查看内核启动日志（dmesg）
- 9.2 检查 sysfs 设备信息（/sys/devices）
- 9.3 使用 udevadm 监控设备事件
- 9.4 动态加载/卸载驱动模块（insmod/rmmod）
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：
- 检测到SATA硬盘
- 读取MBR中的引导代码
- 加载GRUB的stage1 → stage1.5 → stage2
- 显示GRUB菜单等待用户选择
二、Bootloader 阶段
-
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)
-
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
-
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）
- 引导加载器向内核传递启动参数，常见参数包括：
-
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
-
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
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：
- 注册基础文件系统类型（如proc、sysfs、tmpfs）
- 初始化dentry缓存和inode缓存
- 挂载rootfs作为初始文件系统
- 创建标准文件描述符（stdin/stdout/stderr）
- 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）。
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
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：
- 资源分配（内存、IRQ、DMA等）
- 硬件初始化（寄存器配置、固件加载）
- 设备特定设置（时钟、电源管理）
- 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）
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
- 读取
- 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
- 创建设备节点（如
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
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：
- 系统初始化时会注册各种总线类型(platform/pci/i2c等)
- 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
- 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
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：
- 内核加载驱动模块时调用
module_pci_driver宏注册驱动 - 内核遍历PCI总线，将每个设备与
id_table进行匹配 - 找到匹配设备后，调用
probe函数初始化设备 - 设备使用期间可能触发中断/处理请求
- 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
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
研究学习不易，点赞易。
工作生活不易，收藏易，点收藏不迷茫 ：）
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