linux 内核 vga 参数

这里的“VGA 参数”可以从两个层面来理解：

1. 内核启动时通过命令行传递的参数：这些参数告诉内核如何初始化和控制显卡（通常是早期的 VGA 兼容显卡）以及相关的帧缓冲设备。
2. 内核内部用于驱动和控制 VGA 硬件的代码和数据结构：这部分是内核开发者更关心的。

下面我将从这两个层面进行详细说明。

内核启动参数

这些参数通常在引导加载程序（如 GRUB）的配置文件中指定，用于在内核启动的早期阶段配置显示功能，它们对于系统启动过程、早期的调试以及在没有现代图形驱动（如 KMS）的系统上至关重要。

vga= 参数

这是最经典、最核心的 VGA 参数，用于设置内核文本模式下的分辨率和颜色深度。

格式： vga=模式号

模式号： 模式号是一个十六进制数字，它代表了特定的视频模式，这些模式定义了分辨率（如 80x25, 80x50, 80x43）和颜色深度（通常是 16 色）。

常见模式号列表：

示例 (GRUB 配置): 在 /etc/default/grub 文件中，修改 GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT 行：

# 设置为 80x43 的文本模式
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="vga=0x12"
# 或者设置为 256 色的 320x200 图形模式
# GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="vga=0x13"

然后运行 sudo update-grub 使配置生效。

video= 参数

vga= 参数比较古老，主要用于设置文本模式，现代内核更推荐使用 video= 参数，因为它功能更强大，支持直接配置帧缓冲设备，这对于显示内核启动画面（splash）至关重要。

格式： video=模式名

常见模式名：

• vesa:<xres>x<yres>[-<bpp>][@<refresh>]：指定 VESA 模式。

  • xres, yres: 分辨率。
  • bpp: 每像素位数（颜色深度），可选。
  • refresh: 刷新率，可选。
  • 示例: video=vesa:1024x768-32@75 (设置 1024x768 分辨率，32位色，75Hz 刷新率)

• uvesafb:<xres>x<yres>[-<bpp>][@<refresh>][,<mode_option>]：使用 uvesafb 内核模块，支持更多 VESA 模式和选项。

  • 示例: video=uvesafb:1024x768-32,mtrr:3,ywrap,redraw

• fbcon=<driver>:<options>：直接指定帧缓冲控制台驱动。

  • 示例: video=efifb:mode=1024x768 (使用 efifb 驱动)

• nomodeset：这是一个非常重要的参数，但它本身不设置模式，而是禁止内核使用模式设置。

  • 用途: 当显卡的开源驱动（如 nouveau, amdgpu）有问题时，可以强制内核使用 VGA 兼容的文本模式，避免系统在启动阶段崩溃，这通常意味着你无法获得图形界面或硬件加速，只能使用最基本的文本控制台。

示例 (GRUB 配置): 在 /etc/default/grub 中：

# 使用 uvesafb 设置 1024x768-32 位色，并启用 mtrr 和 ywrap
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="video=uvesafb:1024x768-32,mtrr:3,ywrap"
# 禁用 nouveau 驱动，强制使用 vga 文本模式
# GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="nomodeset vga=0x317"

vga=0x317 是 vga= 参数中一个比较通用的值，通常代表 80x30, 256色的文本模式，适用于多种显示器。

内核内部 VGA 控制机制

当内核启动后,它通过一系列的数据结构和函数来与 VGA 硬件交互。

核心数据结构：struct screen_info

这是内核中存储 BIOS 传递过来的初始屏幕信息的最重要结构体，它定义在 include/uapi/linux/screen_info.h 中。

struct screen_info {
    __u8  orig_x;         /* 原始列数 */
    __u8  orig_y;         /* 原始行数 */
    __u16 ext_memk;       /* 扩展内存大小 (KB) */
    __u16 orig_video_page; /* 原始视频页面 */
    __u8  orig_video_mode; /* 原始视频模式 */
    __u8  orig_video_cols; /* 原始列数 */
    __u8  flags;          /* 标志位 */
    __u8  unused2;        /* 保留 */
    __u16 orig_video_ega_bx;/* EGA BIOS 信息 */
    __u16 unused3;
    __u8  orig_video_lines; /* 原始行数 */
    __u8  orig_video_isVGA; /* 是否是 VGA */
    __u16 orig_video_points; /* 字符点阵大小 */
    /* VESA BIOS 信息 */
    __u16 vesa_attributes;
    __u32 vesa_fb_base;   /* 帧缓冲区物理地址 */
    __u16 vesa_fb_size;   /* 帧缓冲区大小 (64KB 单位) */
    /* 其他模式信息... */
    ...
};

工作流程：

1. BIOS 传递: 当计算机启动时，BIOS 会进行 POST（加电自检），并设置显卡的初始状态。
2. 内核读取: 内核的早期启动代码（在 arch/x86/boot 目录下）会通过 INT 10h 中断调用 BIOS，获取这些信息，并填充到 screen_info 结构体中。
3. 后续使用: 内核后续的初始化代码（特别是帧缓冲控制台 fbcon）会读取这个结构体，以了解当前的显示模式，并在此基础上进行操作或切换。

内核模块

• fbcon (Frame Buffer Console): 这是内核中负责在帧缓冲设备上显示文本和图形的控制台驱动，当你在内核启动参数中设置了 vga= 或 video= 后，fbcon 就会利用这些信息来初始化控制台，它不直接操作 VGA 寄存器，而是通过 struct fb_info 这个更通用的帧缓冲接口来与具体的硬件驱动（如 efifb, vesafb, uvesafb 或现代的 amdgfb）通信。

• vesafb: 一个简单的驱动，用于支持 VESA BIOS Extensions (VBE) 2.0+ 定义的图形模式，它通过 BIOS 调用来获取信息，功能有限。

• uvesafb: vesafb 的一个增强版，它允许用户在运行时通过 sysfs 接口动态地改变分辨率、颜色深度等，功能更强大。

• efifb: 用于支持现代 UEFI 系统的帧缓冲，UEFI 自身已经提供了图形模式，efifb 直接使用 UEFI 提供的帧缓冲区，而不是通过 BIOS/VESA。

VGA 遗留 I/O 端口

对于真正的 VGA 兼容显卡，内核可以通过一组特定的 I/O 端口来直接控制硬件，这些操作现在主要在非常底层的代码或某些特定场景（如早期启动）中使用。

• 索引/数据端口: VGA 寄存器通过两个端口访问：一个索引端口（写入寄存器号）和一个数据端口（写入或读取寄存器值）。
  • 索引端口: 0x3C4, 0x3CE 等
  • 数据端口: 0x3C5, 0xCF 等
• CRT 控制器: 控制水平/垂直同步、显示时序等，地址在 0x3B4-0x3B5。
• 图形/字符模式寄存器: 设置显示模式（文本/图形），地址在 0x3C4。
• 调色寄存器: 设置颜色（16 色模式下），地址在 0x3C8-0x3C9。

现代内核在正常使用时（通过 KMS 和现代驱动）不会直接操作这些端口，而是通过显卡的 MMIO 内存映射寄存器来控制。vga= 参数相关的操作也主要是在启动阶段通过 BIOS 完成的，内核本身不直接写这些端口。

总结与现代视角

现代 Linux 系统的图形栈：

1. 启动阶段: 内核使用 video= 或 vga= 参数初始化一个临时的帧缓冲（fbdev），用于显示启动日志和 splash 画面。
2. 用户空间接管: 内核启动完成后，systemd 或 init 会启动用户空间的显示管理器（如 GDM, SDDM）和图形服务器（如 X.Org 或 Wayland）。
3. 现代驱动接管: 图形服务器会加载显卡的现代驱动（如 nvidia, amdgpu, i915），这些驱动使用 KMS (Kernel Mode Setting)。
4. KMS: KMS 是现代 Linux 图形的核心，它允许图形服务器在内核中直接设置显示模式（分辨率、刷新率），而不是像过去那样在用户空间设置，这提供了更好的稳定性和性能，KMS 驱动会取代 fbdev 成为对显卡的直接控制者。

对于普通用户来说,vga= 和 video= 参数主要在系统启动时发挥作用，一旦进入图形界面，其控制权就交给了 KMS 驱动，但在解决启动问题、配置服务器或进行一些底层调试时，理解这些参数仍然非常有用。