Linux中早期控制台初始化和注册的实现

---学无止境---2025-10-16 21:27

设置早期打印功能setup_early_printk

c 复制代码 
int __init setup_early_printk(char *opt)
{
        char *space;
        char buf[256];

        if (early_console_initialized)
                return -1;

        opt = strchr(opt, '=') + 1;

        strlcpy(buf,opt,sizeof(buf));
        space = strchr(buf, ' ');
        if (space)
                *space = 0;

        if (strstr(buf,"keep"))
                keep_early = 1;

        if (!strncmp(buf, "serial", 6)) {
                early_serial_init(buf + 6);
                early_console = &early_serial_console;
        } else if (!strncmp(buf, "ttyS", 4)) {
                early_serial_init(buf);
                early_console = &early_serial_console;
        } else if (!strncmp(buf, "vga", 3)) {
                early_console = &early_vga_console;
        } else {
                early_console = NULL;
                return -1;
        }
        early_console_initialized = 1;
        register_console(early_console);
        return 0;
}

1. 函数功能概述

这是一个用于设置早期打印功能的函数，在内核启动初期就提供控制台输出能力，便于调试启动过程中的问题

2. 代码分段详解

2.1. 第一段：变量声明和初始检查

c 复制代码 
int __init setup_early_printk(char *opt)
{
        char *space;
        char buf[256];

        if (early_console_initialized)
                return -1;
  • __init 宏表示这个函数只在初始化阶段使用，之后内存会被释放
  • char *space 和 char buf[256] 声明局部变量，buf 用于存储处理后的选项字符串
  • if (early_console_initialized) 检查全局标志，如果早期控制台已经初始化过，直接返回 -1 避免重复初始化

2.2. 第二段：参数解析

c 复制代码 
        opt = strchr(opt, '=') + 1;

        strlcpy(buf,opt,sizeof(buf));
        space = strchr(buf, ' ');
        if (space)
                *space = 0;
  • strchr(opt, '=') + 1 查找参数中的等号，并指向等号后的内容（跳过参数名）
  • strlcpy(buf,opt,sizeof(buf)) 安全地复制选项字符串到缓冲区
  • strchr(buf, ' ') 查找空格位置（如果有其他参数）
  • if (space) *space = 0 如果有空格，将其替换为字符串结束符，截断后续参数

2.3. 第三段：keep 选项处理

c 复制代码 
        if (strstr(buf,"keep"))
                keep_early = 1;
  • strstr(buf,"keep") 检查是否包含 "keep" 子串
  • 如果找到 "keep"，设置 keep_early = 1，表示保留早期控制台不被后续的正常控制台替换

2.4. 第四段：串口控制台设置

c 复制代码 
        if (!strncmp(buf, "serial", 6)) {
                early_serial_init(buf + 6);
                early_console = &early_serial_console;
        } else if (!strncmp(buf, "ttyS", 4)) {
                early_serial_init(buf);
                early_console = &early_serial_console;
  • !strncmp(buf, "serial", 6) 检查是否以 "serial" 开头
  • 如果是，调用 early_serial_init(buf + 6) 初始化串口，跳过 "serial" 前缀
  • !strncmp(buf, "ttyS", 4) 检查是否以 "ttyS" 开头（传统串口设备名）
  • 两种情况下都设置 early_console 指向串口控制台结构体

2.5. 第五段：VGA 控制台和其他情况

c 复制代码 
        } else if (!strncmp(buf, "vga", 3)) {
                early_console = &early_vga_console;
        } else {
                early_console = NULL;
                return -1;
        }
  • !strncmp(buf, "vga", 3) 检查是否以 "vga" 开头
  • 如果是，设置 early_console 指向 VGA 控制台结构体
  • 如果都不匹配，设置 early_console 为 NULL 并返回 -1 表示失败

2.6. 第六段：完成初始化

c 复制代码 
        early_console_initialized = 1;
        register_console(early_console);
        return 0;
}
  • early_console_initialized = 1 设置全局标志表示早期控制台已初始化
  • register_console(early_console) 向内核注册这个控制台
  • return 0 返回成功状态

3. 函数功能总结

主要功能：根据启动参数配置和初始化早期控制台，在内核启动初期提供调试输出能力

支持的控制台类型：

  • 串口控制台（"serial" 或 "ttyS" 开头）
  • VGA 控制台（"vga" 开头）

参数格式示例：

  • earlyprintk=serial,0x3f8,115200
  • earlyprintk=ttyS0,115200
  • earlyprintk=vga
  • earlyprintk=serial,keep （保留早期控制台）

返回值：

  • 0：成功
  • -1：失败（已初始化或无效参数）

这个函数在内核启动早期阶段至关重要，为后续的启动过程提供了可靠的输出和调试通道

初始化早期串口控制台early_serial_init

c 复制代码 
static __init void early_serial_init(char *s)
{
        unsigned char c;
        unsigned divisor;
        unsigned baud = DEFAULT_BAUD;
        char *e;

        if (*s == ',')
                ++s;

        if (*s) {
                unsigned port;
                if (!strncmp(s,"0x",2)) {
                        early_serial_base = simple_strtoul(s, &e, 16);
                } else {
                        static int bases[] = { 0x3f8, 0x2f8 };

                        if (!strncmp(s,"ttyS",4))
                                s += 4;
                        port = simple_strtoul(s, &e, 10);
                        if (port > 1 || s == e)
                                port = 0;
                        early_serial_base = bases[port];
                }
                s += strcspn(s, ",");
                if (*s == ',')
                        s++;
        }

        outb(0x3, early_serial_base + LCR);     /* 8n1 */
        outb(0, early_serial_base + IER);       /* no interrupt */
        outb(0, early_serial_base + FCR);       /* no fifo */
        outb(0x3, early_serial_base + MCR);     /* DTR + RTS */

        if (*s) {
                baud = simple_strtoul(s, &e, 0);
                if (baud == 0 || s == e)
                        baud = DEFAULT_BAUD;
        }

        divisor = 115200 / baud;
        c = inb(early_serial_base + LCR);
        outb(c | DLAB, early_serial_base + LCR);
        outb(divisor & 0xff, early_serial_base + DLL);
        outb((divisor >> 8) & 0xff, early_serial_base + DLH);
        outb(c & ~DLAB, early_serial_base + LCR);
}

1. 函数功能概述

这是一个用于初始化早期串口控制台的函数，在内核启动初期设置串口参数

1.1. 第一段：变量声明和初始设置

c 复制代码 
static __init void early_serial_init(char *s)
{
        unsigned char c;
        unsigned divisor;
        unsigned baud = DEFAULT_BAUD;
        char *e;
  • static __init：静态函数，初始化后内存可释放
  • c：用于临时存储LCR（线路控制寄存器）值
  • divisor：波特率分频器
  • baud：波特率，默认 DEFAULT_BAUD（通常是9600）
  • e：字符串转换结束指针

1.2. 第二段：参数解析 - 跳过前导逗号

c 复制代码 
        if (*s == ',')
                ++s;
  • 如果参数字符串以逗号开头，跳过这个逗号
  • 处理格式如：,0x3f8,115200

1.3. 第三段：解析串口基地址 - 十六进制格式

c 复制代码 
        if (*s) {
                unsigned port;
                if (!strncmp(s,"0x",2)) {
                        early_serial_base = simple_strtoul(s, &e, 16);
                }
  • 检查字符串非空
  • 如果以"0x"开头，按十六进制解析串口基地址
  • simple_strtoul：简单字符串转无符号长整型
  • 例如：0x3f8 → 串口1的标准地址

1.4. 第四段：解析串口基地址 - 十进制或设备名格式

c 复制代码 
                else {
                        static int bases[] = { 0x3f8, 0x2f8 };

                        if (!strncmp(s,"ttyS",4))
                                s += 4;
                        port = simple_strtoul(s, &e, 10);
                        if (port > 1 || s == e)
                                port = 0;
                        early_serial_base = bases[port];
                }
  • bases[]：预定义的串口基地址数组
    • 0x3f8：COM1
    • 0x2f8：COM2
  • 如果以"ttyS"开头，跳过前4个字符
  • 按十进制解析端口号（0或1）
  • 如果端口号无效（>1或解析失败），默认使用端口0
  • 根据端口号选择对应的基地址

1.5. 第五段：移动到波特率参数

c 复制代码 
                s += strcspn(s, ",");
                if (*s == ',')
                        s++;
        }
  • strcspn(s, ",")：查找下一个逗号的位置
  • 移动指针到逗号位置，然后跳过逗号
  • 准备解析波特率参数

1.6. 第六段：串口基本配置 - 8N1格式

c 复制代码 
        outb(0x3, early_serial_base + LCR);     /* 8n1 */
  • LCR：线路控制寄存器
  • 0x3 = 0b00000011：8位数据，无校验，1位停止位（8N1）
  • 设置串口数据帧格式

1.7. 第七段：禁用中断

c 复制代码 
        outb(0, early_serial_base + IER);       /* no interrupt */
  • IER：中断使能寄存器
  • 0：禁用所有中断（早期启动不需要中断）

1.8. 第八段：禁用FIFO

c 复制代码 
        outb(0, early_serial_base + FCR);       /* no fifo */
  • FCR：FIFO控制寄存器
  • 0：禁用FIFO缓冲区

1.9. 第九段：设置调制解调器控制

c 复制代码 
        outb(0x3, early_serial_base + MCR);     /* DTR + RTS */
  • MCR：调制解调器控制寄存器
  • 0x3 = 0b00000011：设置DTR和RTS信号线

1.10. 第十段：解析波特率参数

c 复制代码 
        if (*s) {
                baud = simple_strtoul(s, &e, 0);
                if (baud == 0 || s == e)
                        baud = DEFAULT_BAUD;
        }
  • 如果还有参数字符串，解析波特率
  • simple_strtoul(s, &e, 0)：自动检测进制（十进制/十六进制）
  • 如果解析失败或为0，使用默认波特率

1.11. 第十一段：计算波特率分频器

c 复制代码 
        divisor = 115200 / baud;
  • 计算分频值：基准频率115200Hz / 目标波特率

1.12. 第十二段：进入分频器设置模式

c 复制代码 
        c = inb(early_serial_base + LCR);
        outb(c | DLAB, early_serial_base + LCR);
  • 读取当前LCR值
  • c | DLAB：设置DLAB位
  • 进入分频器编程模式

1.13. 第十三段：设置分频器低字节和高字节

c 复制代码 
        outb(divisor & 0xff, early_serial_base + DLL);
        outb((divisor >> 8) & 0xff, early_serial_base + DLH);
  • DLL：分频器锁存低字节
  • DLH：分频器锁存高字节
  • 分别设置分频器的低8位和高8位

1.14. 第十四段：退出分频器设置模式

c 复制代码 
        outb(c & ~DLAB, early_serial_base + LCR);
}
  • c & ~DLAB：清除DLAB位
  • 恢复正常操作模式，分频器开始生效

2. 串口寄存器说明

寄存器 偏移 功能
DLL 0x0 分频器锁存低字节（DLAB=1时）
DLH 0x1 分频器锁存高字节（DLAB=1时）
IER 0x1 中断使能寄存器（DLAB=0时）
FCR 0x2 FIFO控制寄存器
LCR 0x3 线路控制寄存器
MCR 0x4 调制解调器控制寄存器

3. 支持的参数格式示例

  1. 十六进制地址 ：0x3f8,115200
  2. 设备名 ：ttyS0,9600 或 ttyS1,57600
  3. 数字端口 ：0,115200 或 1,19200
  4. 默认配置 ：空字符串或,使用COM1和9600波特率

向内核注册一个控制台设备register_console

c 复制代码 
void register_console(struct console * console)
{
        int     i;
        unsigned long flags;

        if (preferred_console < 0)
                preferred_console = selected_console;

        /*
         *      See if we want to use this console driver. If we
         *      didn't select a console we take the first one
         *      that registers here.
         */
        if (preferred_console < 0) {
                if (console->index < 0)
                        console->index = 0;
                if (console->setup == NULL ||
                    console->setup(console, NULL) == 0) {
                        console->flags |= CON_ENABLED | CON_CONSDEV;
                        preferred_console = 0;
                }
        }

        /*
         *      See if this console matches one we selected on
         *      the command line.
         */
        for(i = 0; i < MAX_CMDLINECONSOLES && console_cmdline[i].name[0]; i++) {
                if (strcmp(console_cmdline[i].name, console->name) != 0)
                        continue;
                if (console->index >= 0 &&
                    console->index != console_cmdline[i].index)
                        continue;
                if (console->index < 0)
                        console->index = console_cmdline[i].index;
                if (console->setup &&
                    console->setup(console, console_cmdline[i].options) != 0)
                        break;
                console->flags |= CON_ENABLED;
                console->index = console_cmdline[i].index;
                if (i == preferred_console)
                        console->flags |= CON_CONSDEV;
                break;
        }

        if (!(console->flags & CON_ENABLED))
                return;

        /*
         *      Put this console in the list - keep the
         *      preferred driver at the head of the list.
         */
        acquire_console_sem();
        if ((console->flags & CON_CONSDEV) || console_drivers == NULL) {
                console->next = console_drivers;
                console_drivers = console;
        } else {
                console->next = console_drivers->next;
                console_drivers->next = console;
        }
        if (console->flags & CON_PRINTBUFFER) {
                /*
                 * release_console_sem() will print out the buffered messages
                 * for us.
                 */
                spin_lock_irqsave(&logbuf_lock, flags);
                con_start = log_start;
                spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
        }
        release_console_sem();
}

1. 函数功能概述

这个函数用于向内核注册一个控制台设备，是内核控制台子系统的核心注册函数

1.1. 第一段：变量声明和初始检查

c 复制代码 
void register_console(struct console * console)
{
        int     i;
        unsigned long flags;

        if (preferred_console < 0)
                preferred_console = selected_console;
  • i：循环计数器
  • flags：用于保存中断状态的变量
  • preferred_console：首选控制台索引
  • selected_console：已选控制台索引
  • 如果首选控制台未设置，使用已选控制台

1.2. 第二段：自动选择第一个可用控制台

c 复制代码 
        if (preferred_console < 0) {
                if (console->index < 0)
                        console->index = 0;
                if (console->setup == NULL ||
                    console->setup(console, NULL) == 0) {
                        console->flags |= CON_ENABLED | CON_CONSDEV;
                        preferred_console = 0;
                }
        }
  • 如果仍然没有首选控制台：
    • 如果控制台索引为负，设为0
    • 如果控制台不需要setup或setup成功：
      • 设置 CON_ENABLED（启用）和 CON_CONSDEV（控制台设备）标志
      • 设置首选控制台为0

1.3. 第三段：检查命令行匹配的控制台

c 复制代码 
        for(i = 0; i < MAX_CMDLINECONSOLES && console_cmdline[i].name[0]; i++) {
                if (strcmp(console_cmdline[i].name, console->name) != 0)
                        continue;
  • 遍历命令行中指定的控制台配置
  • 比较控制台名称，不匹配则继续循环

1.4. 第四段：索引检查和设置

c 复制代码 
                if (console->index >= 0 &&
                    console->index != console_cmdline[i].index)
                        continue;
                if (console->index < 0)
                        console->index = console_cmdline[i].index;
  • 如果控制台索引已设置且不匹配，跳过
  • 如果控制台索引未设置，使用命令行中的索引

1.5. 第五段：控制台初始化和启用

c 复制代码 
                if (console->setup &&
                    console->setup(console, console_cmdline[i].options) != 0)
                        break;
                console->flags |= CON_ENABLED;
                console->index = console_cmdline[i].index;
  • 如果控制台有setup函数，调用它进行初始化
  • 如果setup失败，跳出循环
  • 设置 CON_ENABLED 标志
  • 设置控制台索引

1.6. 第六段：设置首选控制台标志

c 复制代码 
                if (i == preferred_console)
                        console->flags |= CON_CONSDEV;
                break;
        }
  • 如果当前索引是首选控制台，设置 CON_CONSDEV 标志
  • 跳出循环（找到一个匹配的就够了）

1.7. 第七段：检查控制台是否启用

c 复制代码 
        if (!(console->flags & CON_ENABLED))
                return;
  • 如果控制台没有被启用，直接返回
  • 这是函数的早期退出点

1.8. 第八段：获取控制台信号量

c 复制代码 
        acquire_console_sem();
  • 获取控制台信号量，保护控制台链表操作
  • 防止并发修改控制台驱动程序链表

1.9. 第九段：插入控制台到链表头部

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        if ((console->flags & CON_CONSDEV) || console_drivers == NULL) {
                console->next = console_drivers;
                console_drivers = console;
        }
  • 如果是控制台设备或链表为空：
    • 将新控制台插入链表头部
    • 更新全局 console_drivers 指针

1.10. 第十段：插入控制台到链表第二个位置

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        else {
                console->next = console_drivers->next;
                console_drivers->next = console;
        }
  • 如果不是首选控制台且链表不为空：
    • 插入到链表第二个位置
    • 保持首选控制台在头部

1.11. 第十一段：处理打印缓冲区

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        if (console->flags & CON_PRINTBUFFER) {
                spin_lock_irqsave(&logbuf_lock, flags);
                con_start = log_start;
                spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
        }
  • 如果设置了 CON_PRINTBUFFER 标志：
    • 保存中断状态并获取日志缓冲区锁
    • 设置控制台起始位置为日志起始位置
    • 恢复中断状态并释放锁
    • 这允许新控制台输出之前的缓冲消息

1.12. 第十二段：释放信号量并返回

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        release_console_sem();
}
  • 释放控制台信号量
  • 函数结束

2. 关键标志位说明

标志 含义
CON_ENABLED 控制台已启用，可以接收输出
CON_CONSDEV 这是首选的控制台设备
CON_PRINTBUFFER 应该输出之前的缓冲消息

3. 函数功能总结

主要功能：向内核注册一个控制台驱动程序，并按照优先级将其插入到控制台链表中。

处理逻辑：

  1. 自动选择：如果没有指定首选控制台，选择第一个可用的
  2. 命令行匹配：根据内核命令行参数匹配和配置控制台
  3. 链表管理：维护一个有序的控制台驱动程序链表
  4. 缓冲区重放：可选地输出启动早期的缓冲消息

关键特性：

  • 线程安全的链表操作
  • 灵活的控制台选择机制
  • 支持多个控制台同时运行
  • 保持首选控制台在输出链的头部

这个函数是Linux内核控制台子系统的核心，负责管理所有控制台驱动程序的注册和优先级排序

找到目标字符串的位置strcspn

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size_t strcspn(const char *s, const char *reject)
{
        const char *p;
        const char *r;
        size_t count = 0;

        for (p = s; *p != '\0'; ++p) {
                for (r = reject; *r != '\0'; ++r) {
                        if (*p == *r)
                                return count;
                }
                ++count;
        }

        return count;
}

1. 函数功能概述

strcspn 函数计算字符串 s 开头连续不包含 reject 中任何字符的字符个数，如果reject字符串只有一个字符，就是找到源字符串中reject字符的第一个位置

1.1. 第一段：函数声明和变量定义

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size_t strcspn(const char *s, const char *reject)
{
        const char *p;
        const char *r;
        size_t count = 0;
  • size_t：无符号整数类型，用于表示大小和计数
  • const char *s：要扫描的源字符串
  • const char *reject：包含要拒绝的字符集合
  • p：用于遍历源字符串 s 的指针
  • r：用于遍历拒绝字符集 reject 的指针
  • count：计数器，记录连续不包含拒绝字符的字符数

1.2. 第二段：外层循环 - 遍历源字符串

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        for (p = s; *p != '\0'; ++p) {
  • p = s：初始化指针 p 指向源字符串开头
  • *p != '\0'：循环条件，直到遇到字符串结束符
  • ++p：每次循环后指针向后移动一个字符
  • 这个循环逐个检查源字符串中的每个字符

1.3. 第三段：内层循环 - 检查拒绝字符集

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                for (r = reject; *r != '\0'; ++r) {
  • r = reject：初始化指针 r 指向拒绝字符集开头
  • *r != '\0'：循环条件，直到拒绝字符集结束
  • ++r：每次循环后指针向后移动一个字符
  • 这个循环检查当前源字符是否在拒绝字符集中

1.4. 第四段：字符匹配检查

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                        if (*p == *r)
                                return count;
  • *p == *r：比较当前源字符 *p 和当前拒绝字符 *r
  • 如果相等，表示当前源字符在拒绝字符集中
  • return count：立即返回当前计数（不包含这个匹配的字符）

1.5. 第五段：计数递增

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                ++count;
        }
  • 只有在内层循环完整执行（当前字符不在拒绝字符集中）时才会执行
  • ++count：增加计数器

1.6. 第六段：处理整个字符串都有效的情况

c 复制代码 
        return count;
}
  • 如果整个源字符串都不包含任何拒绝字符，返回总计数
  • 此时 count 等于源字符串的长度

2. 函数功能总结

主要功能：计算字符串开头连续不包含指定字符集中任何字符的字符个数。

返回值含义：

  • 返回从字符串开头到第一个拒绝字符之前的字符数量
  • 如果字符串开头没有拒绝字符，返回字符串长度

典型应用场景：

  1. 字符串分割：找到第一个分隔符的位置
  2. 词法分析：识别标识符或数字的起始部分
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