linux驱动加载流程分析

内核是如何加载驱动的，有些是编译到内核里面，有些事编译成ko，让系统自动加载。总的说来，在Linux下可以通过两种方式加载驱动程序：静态加载和动态加载。

静态加载就是把驱动程序直接编译进内核，系统启动后可以直接调用。动态加载利用了Linux的module特性，可以在系统启动后用insmod命令添加模块（.ko），在不需要的时候用rmmod命令卸载模块。

1. 驱动加载

1.1 静态加载过程

将模块的程序编译到Linux内核中，也就是在编译内核时选择Y的模块，静态由do_initcall函数加载。先来看看initcall在哪里：

kernel 3.10.108start_kernel(void) // init/main.c 内核启动的入口, 负责初始化调度,中断和内存, 最后启动1号进程和2号进程-> rest_init(void)-> kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);|Vkernel_init() // linux 1号进程, top一下系统就能找到1号进程了-> kernel_init_freeable()-> do_basic_setup()-> do_initcalls()

do_initcalls 中会定义的各个模块加载顺序，加载顺序分为16个等级，加载时按照16个等级依次加载内核驱动。关于每个等级的定义参考 include/linux/init.h。

举个例子 device使用的是 arch_initcall，而driver使用的是 module_init，
因为 arch_initcall的优先级大于module_init，所以设备驱动的device先于driver在总线上添加。

1.2 动态加载过程

将模块的程序编译成ko，也就是在编译内核时选择M的模块，通过insmod、modprobe 或者udev动态加载到内核中。
insmod 绝对路径/xx.ko，而modprobe xx即可，不用加.ko或.o后缀，也不用加路径。
最重要的一点是：modprobe同时会加载当前模块所依赖的其它模块。

来看看insmod都做了什么：

https://git.kernel.org/pub/scm/utils/kernel/kmod/kmod.git
kmod v30do_insmod() // tools/insmod.c-> kmod_module_insert_module()-> finit_module()-> syscall(__NR_finit_module, fd, uargs, flags)  // 进入内核系统调用-> sys_init_module() -> SYSCALL_DEFINE3(init_module, void __user *, umod,	unsigned long, len, const char __user *, uargs)-> copy_module_from_fd(fd, &info)-> load_module(&info, uargs, flags)-> mod = layout_and_allocate(info, flags)-> do_init_module(mod)-> do_one_initcall(mod->init)-> fn()       // 调用 mod->init() 函数

2. 驱动匹配

2.1 硬件固件设计

PCI标准规定每个设备的配置寄存器组最多可以有256字节的连续空间，其中开头的64字节的用途和格式是标准的，成为配置寄存器组的"头部"，这样的头部又有两种，"0型"头部用于一般的PCI设备，“1型"头部用于PCI桥，无论是"0型"还是"1型”，其开头的16个字节的用途和格式是共同的。其中Device ID 和 Vendor ID 位于前4个字节。

所有PCI硬件上必须设计一系列寄存器，PCI通过这些寄存器获取硬件信息，称为PCI配置空间，PCI配置空间格式如下：

DW |    Byte3   |    Byte2   |     Byte1  |   Byte0    | Addr 
---+---------------------------------------------------+------ 
0  |         Device ID       |        Vendor ID        | 00 
---+---------------------------------------------------+------
1  |         Status          |         Command         | 04 
---+---------------------------------------------------+------ 
2  |               Class Code             |Revision ID | 08 
---+---------------------------------------------------+------ 
3  |    BIST    |Header Type |Latency Timer |Cache Line| OC
---+---------------------------------------------------+------ 
4  |                  Base Address 0                   | 10 
---+---------------------------------------------------+------
5  |                  Base Address 1                   | 14 
---+---------------------------------------------------+------
6  |                  Base Address 2                   | 18 
---+---------------------------------------------------+------ 
7  |                  Base Address 3                   | 1C 
---+---------------------------------------------------+------
8  |                  Base Address 4                   | 20 
---+---------------------------------------------------+------
9  |                  Base Address 5                   | 24 
---+---------------------------------------------------+------ 
10 |               CardBus CIS pointer                 | 28 
---+---------------------------------------------------+------
11 | Subsystem Device ID     |  Subsystem Vendor ID    | 2C
---+---------------------------------------------------+------
12 |           Expansion ROM Base Address              | 30 
---+---------------------------------------------------+------
13 |           Reserved(Capability List)               | 34 
---+---------------------------------------------------+------
14 |                      Reserved                     | 38 
---+---------------------------------------------------+------ 
15 | Max_Lat    | Min_Gnt    |   IRQ Pin  | IRQ Line   | 3C 
--------------------------------------------------------------

执行命令lspci -nn,会得到类似如下输出：

Ethernet controller [0200]: Intel Corporation 82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper) [8086:100f] (rev 01)

其中的8086是vendor ID，100f是Device ID。所以咱们常用的LSCPI实质上就是去硬件上读取硬件的寄存器值，并且显示出来。

2.2 软件驱动设计

每一个硬件设备都有Verdon ID, Device ID, SubVendor ID等信息。所以每一个设备驱动程序，必须说明自己能够为哪些Verdon ID, DevieceID, SubVendor ID的设备提供服务。以PCI设备为例，它是通过一个pci_device_id的数据结构来实现这个功能的。

例如：RTL8139驱动的pci_device_id定义为：

static DEFINE_PCI_DEVICE_TABLE(rtl8139_pci_tbl) = {{0x10ec, 0x8139, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x10ec, 0x8138, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1113, 0x1211, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1500, 0x1360, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x4033, 0x1360, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1186, 0x1300, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1186, 0x1340, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x13d1, 0xab06, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1259, 0xa117, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1259, 0xa11e, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x14ea, 0xab06, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x14ea, 0xab07, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x11db, 0x1234, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1432, 0x9130, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x02ac, 0x1012, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x018a, 0x0106, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x126c, 0x1211, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x1743, 0x8139, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },{0x021b, 0x8139, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },#ifdef CONFIG_SH_SECUREEDGE5410/* Bogus 8139 silicon reports 8129 without external PROM :-( */{0x10ec, 0x8129, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },
#endif
#ifdef CONFIG_8139TOO_8129{0x10ec, 0x8129, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8129 },
#endif/* some crazy cards report invalid vendor ids like* 0x0001 here.  The other ids are valid and constant,* so we simply don't match on the main vendor id.*/{PCI_ANY_ID, 0x8139, 0x10ec, 0x8139, 0, 0, RTL8139 },{PCI_ANY_ID, 0x8139, 0x1186, 0x1300, 0, 0, RTL8139 },{PCI_ANY_ID, 0x8139, 0x13d1, 0xab06, 0, 0, RTL8139 },{0,}
};

Verdon ID可以理解为厂商ID，8086 代表Intel，1249代表三星等，Device ID可以理解为产品ID，每款产品的ID不同。
上面的信息说明，Verdon ID为0x10EC, Device ID为0x8139, 0x8138的PCI设备(SubVendor ID和SubDeviceID为PCI_ANY_ID，表示不限制。)，都可以使用这个驱动程序(8139too)。

下面是内核设备与驱动匹配的代码：

static inline const struct pci_device_id *
pci_match_one_device(const struct pci_device_id *id, const struct pci_dev *dev)
{if ((id->vendor == PCI_ANY_ID || id->vendor == dev->vendor) &&(id->device == PCI_ANY_ID || id->device == dev->device) &&(id->subvendor == PCI_ANY_ID || id->subvendor == dev->subsystem_vendor) &&(id->subdevice == PCI_ANY_ID || id->subdevice == dev->subsystem_device) &&!((id->class ^ dev->class) & id->class_mask))return id;return NULL;
}

3. 驱动自动加载过程

自动加载属于动态加载，加载的是ko文件，那么系统启动之后ko在什么时候，通过什么程序自动加载上的?

3.1 构建自动加载驱动

编译内核时，通过make modules install INSTALL_MOD_PATH=XXX，会将所有选项为M的模块编译为KO, 并且发布到/lib/modules/$(uname -r)/下面。在模块安装的时候，depmod会根据模块中的rtl8139_pci_tbl的信息，生成下面的信息，保存到/lib/modules/$(uname -r)/modules.alias文件中，其内容如下：

alias pci:v000010ECd00008138sv*sd*bc*sc*i* 8139too alias 
pci:v000010ECd00008139sv*sd*bc*sc*i* 8139too ......

v后面的000010EC说明其Vendor ID为10EC，d后面的00008138说明Device ID为8139，而sv,和sd为SubVendor ID和SubDevice ID，后面的星号表示任意匹配。

另外在/lib/modules/$(uname -r)/modules.dep文件中还保存这模块之间的依赖关系，其内容如下：8139too.ko:mii.ko

modules.dep由depmod工具生成，在使用 modprobe xxx加载驱动时, modprobe需要借助modules.dep文件来分析模块之间的依赖关系，先加载依赖的ko，再加载真正需要加载的ko。

3.2 PCI扫描自动加载驱动

在内核启动过程中，总线驱动程序会会总线协议进行总线枚举(总线驱动程序总是集成在内核之中，不能够按模块方式加载，可以通过make menuconfig进入Busoptions，这里面的各种总线，只能够选择Y或N，而不能选择M)，并且为每一个设备建立一个设备对象。

每一个总线对象有一个kset对象，每一个设备对象嵌入了一个kobject对象，kobject连接在kset对象上，这样总线和总线之间，总线和设备设备之间就组织成一颗树状结构。

当总线驱动程序为扫描到的设备建立设备对象时，会初始化kobject对象，并把它连接到设备树中，同时会调用kobject_uevent()把这个(添加新设备的)事件，以及相关信息(包括设备的VendorID,DeviceID等信息）通过netlink发送到用户态中。

来看看这个过程：
subsys_initcall (前面讲到过驱动的16级加载机制，subsys_initcall处于16级中的第8级)

subsys_initcall(pci_subsys_init)  // arch\x86\pci\legacy.c -> pci_subsys_init(void)-> pci_legacy_init()-> pcibios_scan_root()-> pci_scan_bus_on_node()-> pci_scan_root_bus()-> pci_scan_child_bus()-> pci_scan_slot()-> pci_scan_single_device()-> pci_device_add()-> device_add()-> kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD)  // 发消息到udev，让udev去/lib/modules/下面加载驱动-> bus_probe_device(dev)                 // 匹配内核中已有驱动

device_add有两个流程：

• a. bus_probe_device 匹配内核中已有驱动
• b. kobject_uevent 通过netlink发送到用户态中在用户态的udevd检测到这个事件，就可以根据这些信息，打开/lib/modules/$(uname -r)/modules.alias文件，根据 alias pci:v000010ECd00008138sv*sd*bc*sc*i* 8139too得知这个新扫描到的设备驱动模块为8139too。于是modprobe就知道要加载8139too这个模块了，同时modprobe根据 modules.dep文件发现，8139too依赖于mii.ko，如果mii.ko没有加载，modprobe就先加载mii.ko，接着再加载 8139too.ko。

         +-------------------------+|                         || Hotplug, Udev, etc...   | --> 执行相应动作|                         |+-------------------------+^              ^
User         |              |
--.--.--.--.-|.--.--.--.--.-|.--.--.--.--.--.--.--.--
Kernel       |              ||              |+----------+   +----------+| Netlink  |   |   Kmod   |+----------+   +----------+   +-----------+^             ^         |  Device   ||             |         +-----------++-------------+               | 发生事件|                      v+---------|------------------------------+|         |                              ||    +--------+                          ||    | Uevent |         Kobject          ||    +--------+                          |+----------------------------------------+

uevent的机制是比较简单的，设备模型中任何设备有事件需要上报时，会触发uevent提供的接口。uevent模块准备好上报事件的格式后，可以通过两个途径把事件上报到用户空间：一种是通过kmod模块，直接调用用户空间的可执行文件；另一种是通过netlink通信机制，将事件从内核空间传递给用户空间。