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了解宏观上Android系统架构,硬件抽象层HAL层HIDL和AIDL接口定义语言、内核kernel、设备树叠加层DTO等

1. Android架构组件

  • 应用框架:应用框架最常被应用开发者使用。作为硬件开发者,需了解开发者API,因为很多此类API都可以直接映射到底层HAL接口,并可提供与实现驱动程序相关的实用信息
  • Binder IPC:Binder 进程间通信 (IPC) 机制允许应用框架跨越进程边界并调用Android系统服务代码,这使得高级框架API能与Android系统服务进行交互。在应用框架级别,开发者无法看到此类通信的过程,但一切似乎都在“按部就班地运行”
  • 系统服务。:统服务是专注于特定功能的模块化组件,例如窗口管理器、搜索服务或通知管理器。应用框架API所提供的功能可与系统服务通信,以访问底层硬件。Android 包含两组服务:“系统”(诸如窗口管理器和通知管理器之类的服务)和“媒体”(与播放和录制媒体相关的服务)。
  • 硬件抽象层 (HAL):HAL 可定义一个标准接口以供硬件供应商实现,这可让Android忽略较低级别的驱动程序实现。借助HAL,可以顺利实现相关功能,而不会影响或更改更高级别的系统。HAL实现会被封装成模块,并会由Android系统适时地加载
  • Linux 内核:开发设备驱动程序与开发典型的Linux设备驱动程序类似。Android使用的Linux内核版本包含一些特殊的补充功能,例如低内存终止守护进程(一个内存管理系统,可更主动地保留内存)、唤醒锁定(一种 PowerManager 系统服务)、Binder IPC 驱动程序,以及对移动嵌入式平台来说非常重要的其他功能。这些补充功能主要用于增强系统功能,不会影响驱动程序开发


1.1. 模块化系统组件

Android 10 或更高版本采用模块化方式来处理一些 Android 系统组件,使其能够在 Android 的常规发布周期外的时间进行更新。最终用户设备可以从 Google Play 商店基础架构或通过合作伙伴提供的无线下载 (OTA) 机制接收这些模块化系统组件的更新


1.1.1. [Android 10引入]APEX概念

Android Pony EXpress (APEX)是Android 10中引入的一种容器格式,用于在较低级别系统模块的安装流程中使用。此格式可帮助更新不适用于标准Android应用模型的系统组件。一些示例组件包括原生服务和原生库、硬件抽象层 (HAL)、运行时 (ART) 以及类库

1.1.1.1. apex 文件的构成

  • apex_manifest.json
  • AndroidManifest.xml
  • apex_payload.img
  • apex_pubkey

其中我们需要关注的是apex_payload.imgapex_pubkey

apex_payload.img是由dm-verity支持的ext4文件系统映像。各种原生常规文件包含在apex_payload.img文件中

apex_pubkey是用于为文件系统映像验签的公钥

1.1.1.2. apex如何生成

apex在Android源码编译,需要进行相应的配置,然后编写相关的模块编译文件Android.bp,最终编译生成unflatten的apex文件

1.1.1.3. apex安装方法

通过 packageInstaller 或者 adb 等安装工具安装


1.1.2. Android 12中的更新

1.1.2.1. 新模块

  1. ART
  2. 设备调度

1.1.2.2. 现有模块更新

模块 变更
adbd 更新了模块边界
DocumentsUI 停用了文件浏览功能
ExtServices 添加了 DisplayHashingService
更新了模块边界
媒体 添加了新的媒体组件
NNAPI 运行时 更新了模块边界
PermissionController 使PermissionController 模块完全模块化
更新了模块边界
SDK扩展 更新了模块用途
添加了新组件
Statsd 更新了模块边界
网络共享 添加了功能
更新了模块边界
时区数据 更新了包格式
Wi-Fi 更新了模块边界

1.1.3. 架构

Android 10或更高版本会将选定的系统组件转换为模块,其中一些模块采用APEX容器格式(在 Android 10 中引入),另一些则采用 APK 格式。借助模块化架构,系统组件能够根据需要以修复严重bug以及做出其他改进的方式进行更新,而不会影响较低级别的供应商实现或较高级别的应用和服务

模块更新不会引入新的API。它们仅使用由兼容性测试套件 (CTS) 保证的 SDK 和系统 API,并且只会彼此之间进行通信,且只使用稳定的 C API 或稳定的AIDL接口

可以将更新后的模块化系统组件打包在一起,并通过Google使用Google Play 商店基础架构)或Android合作伙伴(使用合作伙伴提供的OTA机制)将其推送到最终用户设备。模块软件包会以原子方式安装(和回滚),这意味着所有需要更新的模块都会进行更新,或者所有模块都不会进行更新。例如,如果某个需要更新的模块出于某种原因无法更新,设备不会安装软件包中的任何模块


1.1.4. 可用模块

详细变更描述参考:Google官方说明文档

模块名称 软件包名称 类型 推出的版本  
adbd com.android.adbd APEX Android 11  
ART com.android.art APEX Android 12  
强制门户登录 com.android.captiveportallogin APK Android 10  
CellBroadcast com.android.cellbroadcast APEX Android 11  
Conscrypt com.android.conscrypt APEX Android 10  
设备调度 com.android.scheduling APEX Android 12  
DNS 解析器 com.android.resolv APEX Android 10  
DocumentsUI com.android.documentsui APK Android 10  
ExtServices com.android.ext.services APK (Android 10) APEX (Android 11) Android 10
IPsec/IKEv2 库 com.android.ipsec APEX Android 11  
媒体编解码器 com.android.media.swcodec APEX Android 10  
媒体 com.android.media APEX Android 10(提取器、MediaSession API)
Android 11 (MediaParser API)
 
MediaProvider com.android.mediaprovider APEX Android 11  
ModuleMetadata com.android.modulemetadata APK Android 10  
网络堆栈权限配置 com.android.networkstack.permissionconfig APK Android 10  
网络组件 com.android.networkstack APK Android 10  
NNAPI 运行时 com.android.neuralnetworks APK Android 11  
PermissionController com.android.permissioncontroller APK Android 10  
SDK 扩展 com.android.sdkext APEX Android 11  
Statsd com.android.os.statsd APEX Android 11  
网络共享 com.android.tethering APK Android 11  
时区数据 com.android.tzdata APEX Android 10  
Wi-Fi com.android.wifi.apex APEX Android 11  

1.2. 硬件抽象层(HAL层)

HAL 可定义一个标准接口以供硬件供应商实现,这可让Android忽略较低级别的驱动程序实现。借助HAL,可以顺利实现相关功能,而不会影响或更改更高级别的系统

1.2.1. HAL类型

参考Google官方说明文档

在Android8.0及更高版本中,较低级别的层已重新编写以采用更加模块化的新架构。搭载Android8.0或更高版本的设备必须支持使用HIDL语言编写的HAL,下面列出了一些例外情况。这些HAL可以是绑定式HAL也可以是直通式HAL。

Android11也支持使用AIDL编写的HAL。所有AIDLHAL均为绑定式。

  • 绑定式HAL:以HAL接口定义语言(HIDL)或Android接口定义语言(AIDL)表示的HAL。这些HAL取代了早期Android版本中使用的传统HAL和旧版HAL。在绑定式HAL中,Android框架和HAL之间通过Binder进程间通信(IPC)调用进行通信。所有在推出时即搭载了Android8.0或后续版本的设备都必须只支持绑定式HAL。
  • 直通式HAL:以HIDL封装的传统HAL或旧版HAL。这些HAL封装了现有的HAL,可在绑定模式和Same-Process(直通)模式下使用。升级到Android8.0的设备可以使用直通式HAL

1.3. HAL接口定义语言 (AIDL/HIDL)

Android 8.0重新设计了Android操作系统框架(在一个名为“Treble”的项目中),以便让制造商能够以更低的成本更轻松、更快速地将设备更新到新版Android系统。

在这种新架构中,HAL接口定义语言(HIDL,发音为“hide-l”)指定了HAL和其用户之间的接口,让用户无需重新构建HAL,就能替换Android框架。

在Android 10中,HIDL功能已整合到AIDL中。此后,HIDL就被废弃了,并且仅供尚未转换为AIDL的子系统使用


1.3.1. HIDL

HAL接口定义语言(简称HIDL,发音为“hide-l”)是用于指定HAL和其用户之间的接口的一种接口描述语言(IDL)。HIDL允许指定类型和方法调用(会汇集到接口和软件包中)。从更广泛的意义上来说,HIDL是指用于在可以独立编译的代码库之间进行通信的系统。

从Android10开始,HIDL已废弃,Android将在所有位置改用AIDL

HIDL旨在用于进程间通信(IPC)。进程之间的通信采用Binder机制。对于必须与进程相关联的代码库,还可以使用直通模式(在Java中不受支持)


1.4. AIDL

Android接口定义语言(AIDL)是一款可供用户用来抽象化IPC的工具。以在.aidl文件中指定的接口为例,各种构建系统都会使用aidl二进制文件构造C++或Java绑定,以便跨进程使用该接口(无论其运行时环境或位数如何)

AIDL可以在Android中的任何进程之间使用:在平台组件之间使用或在应用之间使用均可。

但是,AIDL绝不能用作应用的API。例如,可以使用AIDL在平台中实现SDK API,但SDK API Surface绝不能直接包含AIDL API

1.4.1. AIDL接口示例

服务器进程注册接口并提供对它的调用,客户端进程则调用这些接口

在许多情况下,进程既是客户端又是服务器,因为它可能会引用多个接口

    package my.package;

    import my.package.Baz; // defined elsewhere

    interface IFoo {
        void doFoo(Baz baz);
    }

1.4.2. 工作原理

AIDL使用Binder内核驱动程序进行调用。

当发出调用时,系统会将方法标识符和所有对象打包到某个缓冲区中,然后将其复制到某个远程进程,该进程中有一个Binder线程正在等待读取数据。

Binder线程收到某个事务的数据后,该线程会在本地进程中查找原生桩对象,然后此类会解压缩数据并调用本地接口对象。

此本地接口对象正是服务器进程所创建和注册的对象。

当在同一进程和同一后端中进行调用时,不存在代理对象,因此直接调用即可,无需执行任何打包或解压缩操作。


1.4.3. AIDL使用步骤

Android 10添加了对稳定的Android接口定义语言(AIDL)的支持,这是一种跟踪由AIDL接口提供的应用编程接口(API)/应用二进制接口(ABI)的新方法

1.4.3.1. 定义AIDL接口

aidl_interface的定义如下:

//可以参考update_engine模块system/update_engine/stable/Android.bp中aidl_interface使用
aidl_interface {
    //AIDL 接口模块的名称,能唯一标识 AIDL 接口
    name: "my-aidl",
    //组成接口的AIDL源文件的列表
    //软件包com.acme中定义的AIDL类型Foo的路径应为<base_path>/com/acme/Foo.aidl,
    //其中<base_path>可以是与Android.bp所在目录相关的任何目录
    //在以上示例中,<base_path>为srcs/aidl
    srcs: ["srcs/aidl/**/*.aidl"],
    //软件包名称以此路径开头。此路径与上述 <base_path> 相对应
    local_include_dir: "srcs/aidl",
    //此接口要导入的其他 AIDL 接口模块的可选列表
    //可通过import语句访问导入的AIDL接口中定义的AIDL类型
    imports: ["other-aidl"],
    //冻结在 api_dir 下的接口的先前版本。从 Android 11 开始,versions 冻结在 aidl_api/name 下
    //如果没有已冻结的接口版本,就不应指定此属性,且不会进行兼容性检查
    versions: ["1", "2"],
    //可选标记,用于承诺此接口的稳定性。目前仅支持 "vintf"。
    //如果未设置此属性,这意味着接口在此编译环境下才具有稳定性
    //如果将此标记设为 "vintf",这表示做出了稳定性承诺:只要有代码使用此接口,接口就必须保持稳定
    stability: "vintf",
    //这些标记用于切换后端的启用状态,AIDL编译器会为这些后端生成代码。目前支持3个后端:java、cpp和ndk
    backend: {
        java: {
            enabled: true,
            platform_apis: true,
        },
        cpp: {
            enabled: true,
        },
        ndk: {
            enabled: true,
        },
    },
}

1.4.4. 编写AIDL文件

稳定AIDL的最大不同就在于如何定义Parcelable。以前,Parcelable是前向声明的,而在稳定的AIDL中,Parcelable字段和变量是显式定义的

现在支持boolean、char、float、double、byte、int、long和String的默认值(但不是必需的)

// in a file like 'some/package/Thing.aidl'
package some.package;

parcelable SubThing {
    String a = "foo";
    int b;
}

1.4.5. 引用AIDL库

在Android.mk引用:

cc_... {
    name: ...,
    shared_libs: ["my-module-name-cpp"],
    ...
}
# or
java_... {
    name: ...,
    // can also be shared_libs if desire is to load a library and share
    // it among multiple users or if you only need access to constants
    static_libs: ["my-module-name-java"],
    ...
}

C++语言示例:

#include "some/package/IFoo.h"
#include "some/package/Thing.h"
...
    // use just like traditional AIDL

java语言示例:

import some.package.IFoo;
import some.package.Thing;
...
    // use just like traditional AIDL

1.4.6. 编写AIDLHAL接口

为了让系统和供应商都可使用某个AIDL接口,需要对该接口进行两项更改:

  • 每个类型定义都需要带有@VintfStability注释
  • aidl_interface声明需要包含stability:"vintf",只有接口所有者可以进行这些更改。

此外,为了最大限度地提高代码可移植性并避免出现潜在问题(例如不必要的额外库),Google建议停用CPP后端

    aidl_interface: {
        ...
        backends: {
            cpp: {
                enabled: false,
            },
        },
    }

1.4.7. 查找AIDL HAL接口

AOSP中HAL的稳定AIDL接口所在的基础目录与HIDL接口所在的基础目录相同,位于aidl文件夹中

  • hardware/interfaces
  • frameworks/hardware/interfaces
  • system/hardware/interfaces

应将扩展接口放入vendor或hardware中的其他hardware/interfaces子目录。强烈建议在所有设备之间保持接口一致。扩展可以通过两种不同方式进行注册:

  1. 在运行时注册
  2. 独立注册(在全局注册和在VINTF内注册)

1.4.8. AIDL HAL实例名称

按照惯例,AIDL HAL服务的实例名称应采用以下格式:$package.$type/$instance

例如,AIDL HAL实例的注册名称为android.hardware.vibrator.IVibrator/default


1.4.8.1. XML注册AIDL

必须在VINTF清单中声明AIDL服务器,示例如下:

    <hal format="aidl">
        <name>android.hardware.vibrator</name>
        <fqname>IVibrator/default</fqname>
    </hal>

1.4.8.2. AIDL客戶端声明实例

AIDL客户端必须在兼容性矩阵中声明自己,示例如下:

    <name>android.hardware.vibrator</name>
    <interface>
        <name>IVibrator</name>
        <instance>default</instance>
    </interface>

1.4.9. 将HIDL转换为AIDL

使用hidl2aidl工具将HIDL接口转换为AIDL。按照下面的步骤操作,将.hal文件包转换为.aidl文件:

  1. 构建该工具(位于 system/tools/hidl/hidl2aidl 中):m hidl2aidl
  2. 使用以下命令执行该工具:输出目录,后接要转换的文件包:hidl2aidl -o <output directory> <package>

例如:hidl2aidl -o . android.hardware.nfc@1.2

  1. 仔细阅读生成的文件,并解决任何转换方面的问题。
  • conversion.log包含应该先解决的所有尚未解决的问题。
  • 生成的.aidl文件可能包含一些需要您进行相应处理的警告和建议。这些注释以//开头。
  • 对文件包进行清理并加以改进

1.4.10. 适用于AIDL HAL的sepolicy

对供应商代码可见的AIDL服务类型必须具有vendor_service属性。否则,sepolicy配置将与任何其他AIDL服务相同。

type hal_power_service, service_manager_type, vendor_service;

对于平台定义的大多数服务,已经添加了具有正确类型的服务上下文(例如,android.hardware.power.IPower/default已标记为hal_power_service)。

但是,如果框架客户端支持多种实例名称,则必须在设备专用service_contexts文件中添加其他实例名称

android.hardware.power.IPower/custom_instance u:object_r:hal_power_service:s0


1.5. AIDL与HIDL之间的主要差异

使用AIDLHAL或使用AIDLHAL接口时,请注意与编写HIDLHAL的差异:

  • AIDL语言的语法更接近Java,HIDL语言的语法类似于C++
  • 所有AIDL接口都具有内置的错误状态。不要创建自定义状态类型,而应在接口文件中创建常量状态int,并在CPP/NDK后端使用EX_SERVICE_SPECIFIC,在Java后端使用ServiceSpecificException
  • 未经检查的传输错误不会导致AIDL终止运行(未经检查的错误会导致HIDL Return终止运行)
  • AIDL只能为每个文件声明一种类型
  • 除了output参数外,AIDL参数还可以指定为in/out/inout(没有“同步回调”)
  • AIDL将fd用作基元类型,而不是句柄
  • HIDL对不兼容的更改使用Major版本,对兼容的更改使用Minor版本。在AIDL中,向后兼容的更改已就位。AIDL没有对Major版本进行明确定义,而是将其并入软件包名称中。例如,AIDL可能会使用软件包名称bluetooth2

2. configure配置(系统属性)

Android 10因ConfigStore HAL内存耗用量高且难以使用而将其弃用,并用系统属性替换了这个HAL

系统属性使用PRODUCT_DEFAULT_PROPERTY_OVERRIDES在供应商分区的default.prop中存储系统属性,服务使用sysprop读取这些属性

2.1. sysprop系统属性示例

例如SurfaceFlingerProperties系统属性,代码文件frameworks/native/services/surfaceflinger/sysprop/SurfaceFlingerProperties.sysprop

函数名称是SurfaceFlingerProperties.sysprop中的api_name:

prop {
    api_name: "vsync_event_phase_offset_ns"
    type: Long
    scope: Public
    access: Readonly
    prop_name: "ro.surface_flinger.vsync_event_phase_offset_ns"
}

cc_binary {
    name: "cc_client",
    srcs: ["baz.cpp"],
    shared_libs: ["SurfaceFlingerProperties"],
}
java_library {
    name: "JavaClient",
    srcs: ["foo/bar.java"],
    libs: ["SurfaceFlingerProperties"],
}
  • java使用方法:
//直接引用文件
import android.sysprop.SurfaceFlingerProperties;
...
static void foo() {
    ...
    boolean temp = SurfaceFlingerProperties.vsync_event_phase_offset_ns().orElse(true);
    ...
}
...
  • C++使用方法:
//引用命名空间
#include <SurfaceFlingerProperties.sysprop.h>
using namespace android::sysprop;
...
void bar() {
    ...
    bool temp = SurfaceFlingerProperties::vsync_event_phase_offset_ns(true);
    ...
}
...

2.2. 系统属性API

系统属性是在系统范围内共享信息(通常是配置)的一种便捷方式。每个分区都可以在内部使用自己的系统属性

从Android 10版本开始,跨分区访问的系统属性已架构化为Sysprop说明文件,并且用于访问属性的API会生成为C++具体函数和Java类

2.2.1. 将系统属性定义为API

可以使用Sysprop说明文件(.sysprop)将系统属性定义为API,该文件使用protobuf的TextFormat,其架构如下:

这些类型定义可以用于上面sysprop系统属性文件中

// File: system/tools/sysprop/sysprop.proto
syntax = "proto3";

package sysprop;

enum Access {
  Readonly = 0;
  Writeonce = 1;
  ReadWrite = 2;
}
//设为拥有属性的分区:Platform、Vendor 或 Odm
enum Owner {
  Platform = 0;
  Vendor = 1;
  Odm = 2;
}

enum Scope {
  Public = 0;
  Internal = 2;
}

enum Type {
  Boolean = 0;
  Integer = 1;
  Long = 2;
  Double = 3;
  String = 4;
  Enum = 5;

  BooleanList = 20;
  IntegerList = 21;
  LongList = 22;
  DoubleList = 23;
  StringList = 24;
  EnumList = 25;
}

message Property {
    //生成的 API 的名称
  string api_name = 1;
  //此属性的类型
  Type type = 2;
  //Readonly:仅生成 getter API
  //Writeonce、ReadWrite:生成 getter 和 setter API
  //注意:带有 ro. 前缀的属性不能使用 ReadWrite 访问权限
  Access access = 3;
  //Internal:只有所有者可以访问
  //Public:全部都可以访问,但 NDK 模块除外
  Scope scope = 4;
  //底层系统属性的名称,例如 ro.build.date
  string prop_name = 5;
  //(仅 Enum 和 EnumList)一个竖条 (|) 分隔的字符串,由可能的枚举值组成。例如,value1|value2
  string enum_values = 6;
  //(仅 Boolean 和 BooleanList)让 setter 使用 0 和 1,而不是 false 和 true
  bool integer_as_bool = 7;
  //可选,仅限 Readonly 属性)底层系统属性的旧名称
  string legacy_prop_name = 8;
}

message Properties {
    //设为拥有属性的分区:Platform、Vendor 或 Odm
  Owner owner = 1;
  //用于创建放置生成的 API 的命名空间 (C++) 或静态最终类 (Java)
  //例如,com.android.sysprop.BuildProperties 
  //将是 C++ 中的命名空间 com::android::sysprop::BuildProperties,
  //并且也是 Java 中 com.android.sysprop 中的软件包中的 BuildProperties 类
  string module = 2;
  //属性列表
  repeated Property prop = 3;
}

2.2.1.1. 定义系统属性API示例

# File: frameworks/native/services/surfaceflinger/sysprop/SurfaceFlingerProperties.sysprop

module: "android.sysprop.SurfaceFlingerProperties"
owner: Platform

prop {
    api_name: "vsync_event_phase_offset_ns"
    type: Long
    scope: Public
    access: Readonly
    prop_name: "ro.surface_flinger.vsync_event_phase_offset_ns"
}

prop {
    api_name: "vsync_sf_event_phase_offset_ns"
    type: Long
    scope: Public
    access: Readonly
    prop_name: "ro.surface_flinger.vsync_sf_event_phase_offset_ns"
}

2.2.2. 定义系统属性库

可以使用Sysprop说明文件定义sysprop_library模块。

sysprop_library用作C++和Java的API。

对于sysprop_library的每个实例,构建系统会在内部生成一个java_library和一个cc_library

例如:

// File: frameworks/native/services/surfaceflinger/sysprop/Android.bp
sysprop_library {
    name: "SurfaceFlingerProperties",
    srcs: ["*.sysprop"],
    api_packages: ["android.sysprop"],
    property_owner: "Platform",
}

2.2.3. API检查

必须在源代码中包含API列表文件以进行API检查。

为此,请创建API文件和一个api目录。将api目录放在与Android.bp相同的目录中。

API文件名包括<module_name>-current.txt<module_name>-latest.txt

  • <module_name>-current.txt保留当前源代码的API签名
  • <module_name>-latest.txt保留最新的冻结API签名。构建系统通过在构建时比较这些API文件和生成的API文件来检查API是否已更改,并在current.txt与源代码不匹配时发出错误消息和更新current.txt文件的说明

例如surfacefilinger模块中:

//frameworks/native/services/surfaceflinger/sysprop/
- api
- - SurfaceFlingerProperties-current.txt
- - SurfaceFlingerProperties-latest.txt
- Android.bp
- SurfaceFlingerProperties.sysprop	

Java和C++客户端模块都可以关联到sysprop_library以使用生成的API。构建系统会创建从客户端到生成的C++和Java库的关联,从而使客户端能够访问生成的API

java_library {
    name: "JavaClient",
    srcs: ["foo/bar.java"],
    libs: ["PlatformProperties"],
}

cc_binary {
    name: "cc_client",
    srcs: ["baz.cpp"],
    shared_libs: ["PlatformProperties"],
}
  • Java访问定义属性示例:
import android.sysprop.PlatformProperties;

static void foo() {
    
    Integer dateUtc = PlatformProperties.date_utc().orElse(-1);
    
}

  • C++访问定义属性示例:
#include <android/sysprop/PlatformProperties.sysprop.h>
using namespace android::sysprop;

void bar() {
    
    std::string build_date = PlatformProperties::build_date().value_or("(unknown)");
    
}



3. 内核

Android 内核基于上游 Linux 长期支持 (LTS) 内核。在 Google,LTS 内核会与 Android 专用补丁结合,形成所谓的“Android 通用内核 (ACK)”

较新的ACK(版本5.4及更高版本)也称为GKI内核,因为它们支持将与硬件无关的通用核心内核代码和与硬件无关的GKI模块分离开来。

GKI内核会与包含系统芯片(SoC)和板级代码的硬件专用供应商模块进行交互。

GKI内核与供应商模块之间的交互通过内核模块接口(KMI)来实现,该接口由标识供应商模块所需的函数和全局数据的符号列表组成。

如图显示GKI内核和供应商模块架构:


3.1. 内核术语

  1. 内核类型
  • Android 通用内核 (ACK):ACK是长期支持(LTS)内核的下游,包含与Android社区相关但尚未合并到Linux Mainline或LTS内核的补丁。较新的ACK(版本 5.4 及更高版本)也称为GKI内核,因为它们支持将与硬件无关的通用内核代码和与硬件无关的GKI模块分离开来
  • Android 开源项目 (AOSP) 内核:Android通用内核
  • 功能内核:确保实现平台版本功能的内核。例如,在Android 12中,两个功能内核为android12-5.4和android12-5.10。Android 12功能无法向后移植到4.19内核,功能集与在发布时搭载R4.19并升级到S的设备类似
  • 通用内核映像 (GKI) 内核:任何较新的(5.4及更高版本)ACK内核(目前仅限aarch64)。此内核包含两个部分:代码在所有设备上通用的GKI核心内核,以及由Google开发的可在设备上(如适用)动态加载的GKI内核模块
  • 内核模块接口 (KMI) 内核
  • 启动内核:对于启动指定Android平台版本的设备有效的内核。例如,在Android 12中,有效的启动内核为4.19、5.4和5.10
  • 长期支持 (LTS) 内核:受支持2到6年的Linux内核。LTS内核每年发布一次,是Google每个ACK的基础
  1. 分支类型
  • ACK KMI内核分支:构建GKI内核的分支。例如,android12-5.10和android13-5.15
  • Android-mainline:Android功能的主要开发分支。当上游声明新的LTS内核时,相应的新GKI内核就会从android-mainline分支出来
  • LinuxMainline:上游Linux内核(包括LTS内核)的主要开发分支

3.2. 模块化内核

3.2.1. Fstab配置分区

在Android9及更低版本中,设备可以使用设备树叠加层(DTO)为提前装载的分区指定fstab条目。在Android10及更高版本中,设备必须使用第一阶段ramdisk中的fstab文件为提前装载的分区指定fstab条目。

Android10引入了以下可在fstab文件中使用的fs_mgr标记:

  • first_stage_mount表明将由第一阶段init装载分区
  • logical表明这是一个动态分区
  • avb=vbmeta-partition-name:可指定vbmeta分区。第一阶段init可初始化该分区,然后再装载其他分区。如果该条目的vbmeta分区已由上一行中的其他fstab条目指定,可以省略此标记的参数

以下示例展示了将system、vendor和product分区设置为逻辑(动态)分区的fstab条目:

#<dev>  <mnt_point> <type>  <mnt_flags options> <fs_mgr_flags>
system   /system     ext4    ro,barrier=1     wait,slotselect,avb=vbmeta_system,logical,first_stage_mount
vendor   /vendor     ext4    ro,barrier=1     wait,slotselect,avb=vbmeta,logical,first_stage_mount
product  /product    ext4    ro,barrier=1     wait,slotselect,avb,logical,first_stage_mount

在上述示例中,供应商使用fs_mgr标记avb=vbmeta指定了vbmeta分区,但product省略了vbmeta参数,因为供应商已将vbmeta添加到了分区列表。

搭载Android10及更高版本的设备必须将fstab文件放在ramdisk和vendor分区中


3.2.1.1. 放置Ramdisk位置

fstab文件在ramdisk中的位置取决于设备如何使用ramdisk

  1. 具有启动ramdisk的设备必须将fstab文件放在启动ramdisk根目录中。如果设备同时具有启动ramdisk和恢复ramdisk,就无需对恢复ramdisk进行任何更改。示例:

PRODUCT_COPY_FILES += device/google/<product-name>/fstab.hardware:$(TARGET_COPY_OUT_RAMDISK)/fstab.$(PRODUCT_PLATFORM)

  1. 将恢复用作ramdisk的设备必须使用内核命令行参数androidboot.force_normal_boot=1来决定是启动到Android还是继续启动到恢复模式。发布时搭载Android 12或更高版本且内核版本为5.10或更高版本的设备必须使用bootconfig传递androidboot.force_normal_boot=1参数。在这些设备中,第一阶段init在装载提前装载分区之前将根操作切换到了/first_stage_ramdisk,因此设备必须将fstab文件放在$(TARGET_COPY_OUT_RECOVERY)/root/first_stage_ramdisk中。示例:

PRODUCT_COPY_FILES += device/google/<product-name>/fstab.hardware:$(TARGET_COPY_OUT_RECOVERY)/root/first_stage_ramdisk/fstab.$(PRODUCT_PLATFORM)


3.2.1.2. 放置vendor分区

所有设备都必须将fstab文件的副本放到/vendor/etc中。

这是因为第一阶段init在完成分区提前装载之后释放了ramdisk,并执行了切换根操作,以将位于/system的装载移动到了/。因此,后续任何需要访问fstab文件的操作都必须使用/vendor/etc中的副本。示例:

PRODUCT_COPY_FILES += device/google/<product-name>/fstab.hardware:$(TARGET_COPY_OUT_VENDOR)/etc/fstab.$(PRODUCT_PLATFORM)


3.2.2. 提前装载分区,VBoot 1.0

使用VBoot 1.0提前装载分区的要求包括:

  1. 设备节点路径必须在fstab和设备树条目中使用其by-name符号链接。例如,确保对分区进行命名且设备节点为/dev/block/…./by-name/{system,vendor,odm},而不是使用/dev/block/mmcblk0pX指定分区
  2. 在产品的设备配置中(即device/oem/project/device.mk中)为PRODUCT_{SYSTEM,VENDOR}_VERITY_PARTITIONCUSTOM_IMAGE_VERITY_BLOCK_DEVICE指定的路径必须与fstab/设备树条目中相应块设备节点指定的by-name相匹配。示例:
PRODUCT_SYSTEM_VERITY_PARTITION := /dev/block/…./by-name/system
PRODUCT_VENDOR_VERITY_PARTITION := /dev/block/…./by-name/vendor
CUSTOM_IMAGE_VERITY_BLOCK_DEVICE := /dev/block/…./by-name/odm
  1. 通过设备树叠加层提供的条目不得在fstab文件Fragment中出现重复。例如,指定某个条目以在设备树中装载/vendor时,fstab文件不得重复该条目
  2. 不得提前装载需要verifyatboot的分区(此操作不受支持)
  3. 必须在kernel_cmdline中使用androidboot.veritymode选项指定验证分区的真实模式/状态(现有要求)

3.2.3. 提前装载设备树,VBoot 1.0

在Android8.x及更高版本中,init会解析设备树并创建fstab条目,以在其第一阶段提前装载分区。fstab条目采用以下形式:

src mnt_point type mnt_flags fs_mgr_flags

定义设备树属性以模拟该格式:

  • fstab条目必须在设备树中的/firmware/android/fstab下,且必须将兼容字符串设置为android,fstab
  • /firmware/android/fstab下的每个节点都被视为单个提前装载fstab条目。节点必须定义以下属性:
    • dev必须指向表示by-name分区的设备节点
    • type必须是文件系统类型(如在fstab文件中一样)
  • mnt_flags必须是装载标记的逗号分隔列表(如在fstab文件中一样)
  • fsmgr_flags必须是Androidfs_mgrflags列表(如在fstab文件中一样)
  • A/B分区必须具有slotselectfs_mgr选项
  • 已启用dm-verity的分区必须具有verifyfs_mgr选项

3.2.3.1. 示例

下面的示例显示的是在 Pixel 上为 /vendor 提前装载设备树(请务必为 A/B 分区添加 slotselect):

/ {
  firmware {
    android {
      compatible = "android,firmware";
      fstab {
        compatible = "android,fstab";
        vendor {
          compatible = "android,vendor";
          dev = "/dev/block/platform/soc/624000.ufshc/by-name/vendor";
          type = "ext4";
          mnt_flags = "ro,barrier=1,discard";
          fsmgr_flags = "wait,slotselect,verify";
        };
      };
    };
  };
};

3.2.4. 提前装载分区,VBoot 2.0

VBoot2.0是Android启动时验证(AVB)

使用VBoot2.0提前装载分区的要求如下:

  • 设备节点路径必须在fstab和设备树条目中使用其by-name符号链接。例如,确保对分区进行命名且设备节点为/dev/block/…./by-name/{system,vendor,odm},而不是使用/dev/block/mmcblk0pX指定分区
  • VBoot1.0所用的构建系统变量(如PRODUCT_{SYSTEM,VENDOR}_VERITY_PARTITIONCUSTOM_IMAGE_VERITY_BLOCK_DEVICE)对VBoot2.0而言并不是必需的。应定义VBoot2.0中引入的构建变量(包括BOARD_AVB_ENABLE:=true
  • 通过设备树叠加层提供的条目不得在fstab文件Fragment中出现重复。例如,如果您指定某个条目以在设备树中装载/vendor,fstab文件不得重复该条目
  • VBoot2.0不支持verifyatboot,无论是否启用了提前装载
  • 必须在kernel_cmdline中使用androidboot.veritymode选项指定验证分区的真实模式/状态(现有要求)

3.2.5. 提前装载设备树,VBoot 2.0

VBoot2.0设备树中的配置与VBoot1.0中的大致相同,但还有以下几项不同之处:

  • fsmgr_flag由verify变为avb
  • 包含AVB元数据的所有分区都必须位于设备树的VBMeta条目中,即使相应的分区并非提前装载的分区(如/boot)也是如此

3.2.5.1. 示例

下面的示例显示的是在 Pixel 上提前装载 /vendor。注意:

  • 很多分区都是在vbmeta条目中指定的,因为这些分区受AVB保护
  • 请务必包含所有AVB分区,即使仅提前装载了/vendor也是如此
  • 请务必为A/B分区添加slotselect
/ {
  vbmeta {
    compatible = "android,vbmeta";
    parts = "vbmeta,boot,system,vendor,dtbo";
  };
  firmware {
    android {
      compatible = "android,firmware";
      fstab {
        compatible = "android,fstab";
        vendor {
          compatible = "android,vendor";
          dev = "/dev/block/platform/soc/624000.ufshc/by-name/vendor";
          type = "ext4";
          mnt_flags = "ro,barrier=1,discard";
          fsmgr_flags = "wait,slotselect,avb";
        };
      };
    };
  };
};

3.2.6. 文件系统节点释义

Google官方文档设备节点说明

Linux内核可通过多个文件系统导出接口。

Android要求这些接口以相同的格式传递相同的信息,并且提供的语义与上游Linux内核中的语义相同。

对于上游中不存在的接口,相应的行为将由对应的Android通用内核分支决定

列出部分节点:

3.2.6.1. /proc/*节点

接口 说明
/proc/asound/ 用于显示当前已配置 ALSA 驱动程序列表的只读文件
/proc/cmdline 只读文件,包含传递到内核的命令行参数
/proc/config.gz 包含内核构建配置的只读文件
/proc/cpuinfo 包含架构对应的 CPU 详细信息的只读文件
/proc/diskstats 用于显示块设备的 I/O 统计信息的只读文件
/proc/filesystems 列出内核当前支持的文件系统的只读文件
/proc/kmsg 实时显示内核信息的只读文件
/proc/loadavg 用于显示特定时间段内平均 CPU 负载和 I/O 负载的只读文件
/proc/meminfo 显示内存子系统详细信息的只读文件
/proc/stat 包含各种内核和系统统计信息的只读文件
/proc/swaps 用于显示交换空间利用情况的只读文件。此文件是可选的;只有在该文件存在时,系统才会在 VTS 中验证其内容和权限
/proc/uptime 显示系统运行时间的只读文件
/proc/version 包含描述内核版本的字符串的只读文件
/proc/vmallocinfo 只读文件,包含 vmalloc 进行分配的范围
/proc/vmstat 只读文件,包含来自内核的虚拟内存统计信息
/proc/zoneinfo 包含内存区域相关信息的只读文件

3.2.6.2. /dev/*节点

接口 说明
/dev/ashmem 匿名的共享内存设备文件
/dev/binder Binder 设备文件
/dev/hwbinder 硬件 binder 设备文件
/dev/tun 通用 TUN/TAP 设备文件
/dev/xt_qtaguid QTAGUID netfilter 设备文件

3.2.6.3. /sys/*节点

接口 说明
/sys/class/net/*/mtu 包含每个接口的最大传输单元的读写文件
/sys/class/rtc/*/hctosys 只读文件,显示特定 rtc 是否在启动和恢复时提供系统时间
/sys/devices/system/cpu/ 包含 CPU 配置和频率相关信息的目录

3.2.6.4. selinuxfs节点

框架会将 selinuxfs 装载到 /sys/fs/selinux 中

接口 说明
/sys/fs/selinux/checkreqprot 读/写文件,包含可用于确定如何在 mmap 和 mprotect 调用中检查 SElinux 保护的二进制标记
/sys/fs/selinux/null 供 SElinux 使用的读/写空设备
/sys/fs/selinux/policy 只读文件,包含二进制文件形式的 SElinux 政策

3.3. 设备树叠加层(DTO)

设备树 (DT)是用于描述“不可发现”硬件的命名节点和属性构成的一种数据结构。操作系统(例如在 Android 中使用的Linux内核)会使用DT来支持Android设备使用的各种硬件配置。硬件供应商会提供自己的 DT 源文件,接下来 Linux 会将这些文件编译到引导加载程序使用的设备树Blob (DTB) 文件中

3.3.1. 加载设备树

参考google官方文档设备树叠加层

在引导加载程序中加载设备树会涉及到构建、分区和运行:

1. 如需构建,请执行以下操作:

  • 使用设备树编译器(dtc)将设备树源(.dts)编译成设备树blob(.dtb),将其格式设置为扁平化设备树
  • 将.dtb文件刷写到引导加载程序在运行时可访问的位置

启动分区:将.dtb放在启动分区中,方法是将其附加到image.gz,并作为“kernel”传递给mkbootimg

唯一分区:将.dtb放在唯一分区(例如dtb分区)中

  1. 如需进行分区,请确定闪存中引导加载程序在运行时可访问的可信位置以放置.dtb
  2. 如需运行,请执行以下操作:
    • 将.dtb从存储空间加载到内存中
    • 启动内核(已给定所加载DT的内存地址)

4. 参考