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PCIe 与 USB 的补充知识
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树莓派 4B 指南
设备驱动畅想
Linux内核子系统
Linux 文件系统挂载

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1. initrd 阶段的用户空间初始化脚本执行

在 initrd 阶段，内核会解压缩并挂载 initrd 文件系统。

1.1 解压缩并挂载 initrd 文件系统

populate_rootfs 函数负责解压缩 initrd 并将其挂载为根文件系统。以下是相关代码：

// init/initramfs.c
static int __init populate_rootfs(void)
{char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start, __initramfs_size);if (err)panic("%s", err); /* Failed to decompress INTERNAL initramfs */if (initrd_start) {
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAMint fd;printk(KERN_INFO "Trying to unpack rootfs image as initramfs...\n");err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start);if (!err) {free_initrd();goto done;} else {clean_rootfs();unpack_to_rootfs(__initramfs_start, __initramfs_size);}printk(KERN_INFO "rootfs image is not initramfs (%s); looks like an initrd\n", err);fd = sys_open("/initrd.image", O_WRONLY | O_CREAT, 0700);if (fd >= 0) {sys_write(fd, (char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start);sys_close(fd);free_initrd();}done:
#elseprintk(KERN_INFO "Unpacking initramfs...\n");err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start, initrd_end - initrd_start);if (err)printk(KERN_EMERG "Initramfs unpacking failed: %s\n", err);free_initrd();
#endif/** Try loading default modules from initramfs. This gives* us a chance to load before device_initcalls.*/load_default_modules();}return 0;
}
rootfs_initcall(populate_rootfs);

1.2 加载介质驱动的机制

在 initrd 阶段，内核会通过以下机制加载相关的介质驱动：

1. 检测根文件系统所在的设备：

   • 内核会根据 saved_root_name 变量来确定根文件系统所在的设备。这个变量通常由引导加载程序（如 GRUB）传递给内核。

2. 加载默认模块：

   • 在 initrd 阶段，内核会尝试加载默认的内核模块，这些模块通常包括识别和访问根文件系统所在介质所需的驱动程序。
   • 这些模块可以通过 initrd 文件系统中的 /linuxrc 或 /init 脚本加载，也可以通过内核的 load_default_modules 函数加载。

3. 等待设备探测完成：

   • 内核会等待根文件系统所在的设备完成探测，以确保设备驱动程序已经加载并准备好使用。

2. 挂载真实文件系统后的用户空间初始化脚本执行

在挂载真实文件系统后，内核会切换到真实文件系统，并执行用户空间的初始化脚本。这个过程主要发生在 prepare_namespace 函数之后。

2.1 挂载真实文件系统

prepare_namespace 函数负责挂载真实文件系统。以下是相关代码：

// fs/namespace.c
void __init prepare_namespace(void)
{int is_floppy;if (root_delay) {printk(KERN_INFO "Waiting %d sec before mounting root device...\n",root_delay);ssleep(root_delay);}wait_for_device_probe();if (saved_root_name[0]) {root_device_name = saved_root_name;if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||!strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) {mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);goto out;}ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)root_device_name += 5;}if (initrd_load())goto out;if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) {printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s...\n",saved_root_name);while (driver_probe_done() != 0 ||(ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0)msleep(100);async_synchronize_full();}is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))ROOT_DEV = Root_RAM0;mount_root();
out:devtmpfs_mount("dev");sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);sys_chroot(".");
}

3. 执行用户空间初始化脚本

3.1 内核中执行用户空间初始化脚本

在 prepare_namespace 函数之后，内核会执行用户空间的初始化脚本。这是通过 kernel_init 函数实现的。以下是相关代码：

// init/main.c
static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
{wait_for_completion(&kthreadd_done);gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask);cad_pid = task_pid(current);smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);do_pre_smp_initcalls();lockup_detector_init();smp_init();sched_init_smp();do_basic_setup();if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");(void) sys_dup(0);(void) sys_dup(0);if (!ramdisk_execute_command)ramdisk_execute_command = "/init";if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {ramdisk_execute_command = NULL;prepare_namespace();}load_default_modules();if (ramdisk_execute_command) {run_init_process(ramdisk_execute_command);} else {run_init_process("/sbin/init");}
}

在上述代码中，kernel_init_freeable 函数会检查是否存在用户空间的初始化脚本（如 /linuxrc 或 /init），如果存在，则通过 run_init_process 函数执行该脚本。

3.2 用户空间初始化脚本

用户空间的初始化脚本（如 /linuxrc 或 /init）会在切换到真实文件系统后执行。以下是相关代码：

#!/bin/sh
# /linuxrc# 加载必要的驱动模块
modprobe usb-storage
modprobe scsi_mod
modprobe ext4# 挂载真实文件系统
mount -a# 切换到真实根文件系统
pivot_root /mnt /dev/null
exec switch_root /sbin/init

在上述脚本中，modprobe 命令会加载必要的驱动模块，以便挂载真实文件系统。

4. 加载默认模块

在 initrd 阶段，内核会通过 load_default_modules 函数加载默认的内核模块。这些模块通常包括识别和访问根文件系统所在介质所需的驱动程序。

void __init load_default_modules(void)
{struct module *mod;int err;for_each_module(mod) {if (mod->state == MOD_STATE_LIVE) {err = try_to_load_module(mod->name);if (err)printk(KERN_ERR "Failed to load module %s\n", mod->name);}}
}

pivot_root linux,initrd如何切入linux文件系统

在 Linux 内核中，load_default_modules 函数的主要功能是在系统启动过程中加载一组默认的内核模块，这些模块对于系统的正常运行至关重要。以下是该函数的详细功能说明：

1. 加载默认模块
   load_default_modules 函数负责加载系统启动时所需的一组默认内核模块。这些模块通常包括设备驱动程序、文件系统支持模块以及其他系统服务模块。
2. 模块初始化
   在内核启动过程中，需要初始化各种组件和驱动程序。load_default_modules 函数通过加载必要的模块来确保系统具备所需的驱动和功能，从而保证系统能够正常运行。
3. 依赖关系处理
   内核模块之间可能存在依赖关系。load_default_modules 函数确保这些依赖关系得到正确处理，模块按照正确的顺序加载。这对于系统的稳定性和功能性至关重要。
4. 配置文件支持
   该函数还会加载由系统配置文件指定的模块。这些配置文件通常位于 /etc/modules-load.d/ 目录下，每个文件包含一个或多个模块名称，系统启动时会自动加载这些模块。
5. 内核引导参数支持
   除了配置文件，load_default_modules 函数还会处理通过内核引导参数指定的模块加载。例如，使用 modules_load 或 rd.modules_load 参数可以在启动时加载特定的模块。
6. 自动模块加载
   对于大多数硬件设备，Linux 内核会自动检测并加载相应的驱动模块。load_default_modules 函数通过使用存储在 /lib/modules/VERSION/modules.alias 中的数据库来实现这一点，该数据库包含了模块与硬件设备之间的映射关系。
7. 手动模块加载
   如果需要手动加载某个模块，可以使用 modprobe 命令。该命令会根据模块的依赖关系加载所需的模块，并将其添加到内核中。
8. 模块验证
   在加载模块时，load_default_modules 函数还会执行一些验证操作，确保模块的完整性和兼容性。这包括检查模块的签名和验证 ELF 文件的合法性。
9. 模块初始化函数调用
   该函数还会调用模块的初始化函数，这些函数通常使用 module_init 宏进行声明。这些初始化函数负责设置模块的运行环境，使其准备好供系统使用。

load_default_modules 函数在 Linux 内核启动过程中扮演着重要角色，通过加载默认的内核模块，确保系统具备所需的驱动和功能。它不仅处理模块之间的依赖关系，还支持通过配置文件和内核引导参数加载特定模块，从而保证系统的正常运行和硬件设备的正常工作。

4.1 Linux 6.12.5 替代方案 ？

在 Linux 6.12.5 内核中，确实没有 load_default_modules 函数。其替代实现主要通过 systemd-modules-load 服务来完成，该服务在系统启动时自动加载内核模块。

5. 总结

1. 虚拟根文件系统中没有 /init
   在 initrd 阶段，如果虚拟根文件系统中没有 /init 文件，则会执行 prepare_namespace 函数来挂载真实根文件系统。为了识别根文件系统所在的介质（如 SD、SCSI 等），内核会通过 load_default_modules 函数加载相关的介质驱动。这些驱动程序确保内核能够正确识别和访问根文件系统所在的设备。

2. 虚拟根文件系统中有 /init
   在 initrd 阶段，如果虚拟根文件系统中有 /init 文件，则不执行 prepare_namespace 函数来挂载真实根文件系统，真实根文件系统挂载将在 /init 脚本中进行。代码示例如下：

#!/bin/sh
# /linuxrc# 加载必要的驱动模块
modprobe usb-storage
modprobe scsi_mod
modprobe ext4# 挂载真实文件系统
mount -a# 切换到真实根文件系统
pivot_root /mnt /dev/null
exec switch_root /sbin/init

initrd 典型的系统启动顺序

1. boot loader加载内核并初始化ram disk

2. 内核把initrd转化成正常的ram disk并释放initrd使用的内存

3. initrd作为root被挂载，赋予读写权限。

4. /linuxrc被执行(这可以是任何可执行文件，如脚本，运行在uid 0,可以做任何初始化)。

5. linuxrc挂载真正的根文件系统

6. linuxrc使用pivot_root系统调用把根文件系统放在根目录。

7. 正常的启动序列(/sbin/init)在根文件系统上执行。

8. initrd文件系统被移去。

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