系统开机设备寻址全流程：从 UEFI 伪代码到内核映射

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摘要

在系统开机过程中，设备寻址是一个关键环节，它涉及到 UEFI 固件对硬件设备的初步探测和资源分配，以及 Linux 内核在此基础上进行的二次加工和冲突化解。

本文以 AMD 集成 GPU（ACPI 描述）和 NVIDIA 独立显卡（PCIe 设备）为例，详细介绍这一过程。

UEFI 固件阶段：硬件探测与地址预分配

集成 GPU（通过 ACPI 描述静态分配资源）

在 UEFI 阶段，系统会对硬件设备进行扫描，并为它们分配初始的资源，包括<font style="color:rgba(0, 0, 0, 0.85);">内存地址</font>和<font style="color:rgba(0, 0, 0, 0.85);">中断号</font>等。

集成 GPU 之前在开发板上的「集成设备」：PCIe or 非 PCIe ] 文章中已经详细分析过了，通常它们都是固定在系统总线上。
这些设备的资源通常是由 ACPI 表或者设备树进行静态描述完成的。
在内核中通过虚拟的 platform 总线完成设备的挂载，并由 platform 驱动完成设备的加载。

以下是 UEFI 阶段处理集成 GPU 和独立显卡的伪代码示例：

// UEFI阶段：处理ACPI描述的集成GPU（如AMD Ryzen 7945HX的Radeon 780M）
if (acpi_table_exists("DSDT")) {
    device = acpi_find_device("GFX0"); // ACPI设备名
    if (device->hid == "AMD0079") {   // 集成GPU的硬件ID
        
        // 读取ACPI资源描述（_CRS）配置空间，_CRS含义见本文附加内容
        resource = acpi_eval("_CRS"); 
        mmio_reg = resource->mem[0];  // 寄存器M
        vram_shared = resource->mem[1];// 共享显存：系统内存

        // 标记为保留内存（避免被OS分配）
        e820_mark(mmio_reg.base, mmio_reg.size, E820_RESERVED);
        e820_mark(vram_shared.base, vram_shared.size, E820_RESERVED);

        // 写入设备树（供Linux内核使用）
        dtb_add_node("/arm-io/gpu", {
            "reg" = [mmio_reg, vram_shared],
            "compatible" = "amd,renoir-igpu"
        });
    }
}

对于集成 GPU，通过解析 ACPI 表获取其所需的资源信息，包括寄存器 MMIO 地址和共享显存地址，并将这些地址标记为保留，同时写入设备树供内核使用。

独立 PCIe 显卡（通过 bar 的定义动态分配资源）

PCIe 显卡通常在上面会通过接出一根 PCIe 总线，用于挂载 GPU、VPU、NPU 等设备，这些设备也都称之为 PCIe 设备。

它们会在自己的寄存器空间有一个或若干个 Bar 空间，用于定义自己需要的资源描述。
当 PCI 总线驱动扫描到这些设备后，会探测它们的 bar 空间，获取对应则资源描述；
然后动态地为这些 PCIe 设备分配内存、寄存器等资源。

// UEFI PCIe枚举：为RTX 4090分配临时BAR（x86平台）
for (bus = 0; bus < MAX_PCIE_BUS; bus++) {
    device = pcie_scan_device(bus, 0, 0); // 假设显卡在0号总线
    if (device->vendor_id == 0x10DE && device->device_id == 0x2644) {
        
        // 读取初始BAR（全1表示未分配）
        bar0 = pcie_read_bar(device, 0); // 寄存器BAR
        bar1 = pcie_read_bar(device, 1); // 显存BAR
        
        // 从PCIe MMIO池（0x80000000-0xFFFF0000）分配地址
        mmio_pool = 0x80000000;
        bar0_addr = mmio_pool; mmio_pool += 0x10000; // 64KB寄存器
        bar1_addr = mmio_pool; mmio_pool += 0x40000000; // 1GB显存
        
        // 写入BAR并标记保留
        pcie_write_bar(device, 0, bar0_addr | PCIE_BAR_MEM);
        pcie_write_bar(device, 1, bar1_addr | PCIE_BAR_MEM);
        e820_reserve(bar0_addr, 0x10000, "GPU-MMIO");
        e820_reserve(bar1_addr, 0x40000000, "GPU-VRAM");

        // 记录到PCI设备树（x86通过ACPI，ARM64通过DTB）
        acpi_add_pci_device(device, bar0_addr, bar1_addr);
    }
}

Linux 内核：将地址映射到虚拟地址空间

集成 GPU 驱动处理

集成 GPU 的驱动需要根据 UEFI 阶段写入设备树的信息，将设备的寄存器和显存映射到内核的虚拟地址空间。

以下是集成 GPU 驱动的伪代码示例：

// 映射寄存器 MMIO 到内核虚拟地址
regs = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
if (!regs) {
    dev_err(&pdev->dev, "Failed to map register MMIO\n");
    return -ENOMEM;
}

// 初始化共享显存（系统内存）
pages = vmalloc_to_page((void *)vram->start);
if (!pages) {
    dev_err(&pdev->dev, "Failed to get pages for VRAM\n");
    return -ENOMEM;
}
if (gpu_ttm_bo_create(&pdev->dev, vram->size, pages)) {
    dev_err(&pdev->dev, "Failed to create GPU BO for VRAM\n");
    return -EFAULT;
}

// 验证：dmesg 输出
dev_info(&pdev->dev, "iGPU MMIO: %pa - %pa", &res->start, &res->end);

独立显卡驱动处理

独立显卡的驱动需要检查 UEFI 阶段分配的 BAR 地址是否与其他设备冲突，如果冲突则需要重新分配地址。

以下是独立显卡驱动的伪代码示例：

resource_size_t pci_addr;
void __iomem *mmio;

// 检查 UEFI 分配的 BAR 是否与集成 GPU 冲突（如 0xA0000000 重叠）
if (pci_resource_start(pdev, 1) < 0xB0000000) {
    // 动态调整显存 BAR 到高位
    /*   ...调整代码省略...  */  
    if (pci_request_resource(pdev, &pdev->resource[1], "nvidia - vram")) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to request new VRAM resource\n");
        return -ENODEV;
    }
    pci_addr = pci_resource_start(pdev, 1);  // 新地址 0xB0000000
} else {
    pci_addr = pci_resource_start(pdev, 1);
}

// 映射寄存器 BAR 到内核虚拟地址
mmio = pci_iomap(pdev, 0, pci_resource_len(pdev, 0));
if (!mmio) {
    dev_err(&pdev->dev, "Failed to map register BAR\n");
    return -ENOMEM;
}

// 初始化独立显存（通过 PCIe BAR 直接访问）
if (nvidia_gpu_init(pdev, pci_addr)) {
    dev_err(&pdev->dev, "Failed to initialize GPU VRAM\n");
    return -EFAULT;
}
// 验证：/proc/iomem 输出
// 0000:01:00.0 BAR1 [mem 0xb0000000 - 0xbfffffff]

资源查看

集成 GPU

# 查看 ACPI 定义的资源
cat /sys/firmware/acpi/tables/DSDT | grep -A 3 "Device (GFX0)"
# 查看内核映射
cat /proc/iomem | grep "amdgpu"

PCIe-GPU

# 查看 PCI 设备 BAR
lspci -vvv -s 01:00.0 | grep BAR
# 验证地址不冲突
cat /proc/iomem | grep -E "a0000000|b0000000"

总结

在系统开机过程中，UEFI 固件负责对硬件设备进行初步的探测和资源预分配，而 Linux 内核则在 UEFI 的基础上进行地址的二次加工和冲突化解。集成 GPU 通过 ACPI 表获取静态资源，而独立显卡则通过 PCIe 枚举进行动态资源分配。通过合理的资源分配和冲突解决机制，系统可以确保各个设备能够正常工作。

附加

ACPI 中 CRS 的描述

假设系统中有一个集成显卡设备，其ACPI描述如下：

// ACPI 
    Scope (_SB)
    {
        Device (DC)
        {
            Name (_HID, "PNP0C0A")  // _HID: Hardware ID
            Name (_UID, Zero)  // _UID: Unique ID
            Name (_CCA, One)  // _CCA: Cache Coherency Attribute
            Name (PIPE, 0x03)
            Name (_CRS, ResourceTemplate ()  // _CRS: Current Resource Settings
            {
                Memory32Fixed (ReadWrite,  // 寄存器空间（必选）
                    0x28000000,         // Address Base
                    0x00008000,         // Address Length
                    )
                Memory32Fixed (ReadWrite,  // 预留内存（可选，全0表示未使用）
                    0x00000000,         // Address Base
                    0x00000000,         // Address Length
                    )
                Interrupt (ResourceConsumer, Level, ActiveHigh, Exclusive, ,, )
                {
                    0x0000006C,  // 中断配置（必选）
                }
                GpioIo (Exclusive, PullUp, 0x0000, 0x0000, IoRestrictionOutputOnly,
                    "\\_SB.GPI3", 0x00, ResourceConsumer, ,
                    )
                    {   // Pin list
                        0x0002  // 输出引脚2（必选）
                    }
                GpioIo (Exclusive, PullUp, 0x0000, 0x0000, IoRestrictionOutputOnly,
                    "\\_SB.GPI3", 0x00, ResourceConsumer, ,
                    )
                    {   // Pin list  
                        0x0003  // 输出引脚3（必选）
                    }
            })
``

设备对象 (Device)
这个案例描述了一个 DC 设备，其设备标识符为 PNP0C0A。设备对象中包含了设备的标识符、唯一标识符，以及资源描述。
CRS（当前资源设置）
CRS (_CRS) 描述了集成显卡在实际运行时当前使用的资源，确保操作系统能够正确配置和管理硬件资源。
- 在系统启动时，ACPI解析器会读取集成显卡的 _CRS。
- 操作系统的资源管理器会根据 _CRS 确保集成显卡的资源分配不会与其他设备冲突。