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发表于 2012-1-24 17:02:19 |显示全部楼层
简析Android对Linux内核的改动

现在Android已经很火了,我的一个哥们儿上个月找到一个Android应用开发的职位,月薪就有6K了,羡慕啊。这里分析下Android的内核结构,主要介绍Android和Linux之间的关系,以备以后可能的转型。大家都知道Android是基于Linux内核的操作系统,也曾经和Linux基金会因为内核问题产生过分歧。

    虽然Android基于Linux内核,但是它与Linux之间还是有很大的差别,比如Android在Linux内核的基础上添加了自己所特有的驱动程序。下面我们就来分析一下它们之间究竟有什么关系:

一、Android为什么会选择Linux

   成熟的操作系统有很多,但是Android为什么选择采用Linux内核呢?这就与Linux的一些特性有关了,比如:

   1、强大的内存管理和进程管理方案

   2、基于权限的安全模式

   3、支持共享库

   4、经过认证的驱动模型

   5、Linux本身就是开源项目

   更多关于上述特性的信息可以参考Linux 2.6版内核的官方文档,这便于我们在后面的学习中更好地理解Android所特有的功能特性。接下来分析Android与Linux的关系。

二、Android不是Linux

    看到这个标题大家可能会有些迷惑,前面不是一直说Android是基于Linux内核的吗,怎么现在又不是Linux了?迷惑也是正常的,请先看下面几个要点,然后我们将对每一个要点进行分析,看完后你就会觉得Android不是Linux了。

    因为它没有本地窗口系统,没有glibc的支持,而且并不包括一整套标准的Linux使用程序,同时增强了Linux以支持其特有的驱动。

1.它没有本地窗口系统

    什么是本地窗口系统呢?本地窗口系统是指GNU/Linux上的X窗口系统,或者Mac OX X的Quartz等。不同的操作系统的窗口系统可能不一样,Android并没有使用(也不需要使用)Linux的X窗口系统,这是Android不是Linux的一个基本原因。

2.它没有glibc支持

    由于Android最初用于一些便携的移动设备上,所以,可能出于效率等方面的考虑,Android并没有采用glibc作为C库,而是Google自己开发了一套Bionic Libc来代替glibc。

3.它并不包括一整套标准的Linux使用程序

    Android并没有完全照搬Liunx系统的内核,除了修正部分Liunx的Bug之外,还增加了不少内容,比如:它基于ARM构架增加的Gold-Fish平台,以及yaffs2 FLASH文件系统等。

4.Android专有的驱动程序

    除了上面这些不同点之外,Android还对Linux设备驱动进行了增强,主要如下所示。

    1)Android Binder 基于OpenBinder框架的一个驱动,用于提供 Android平台的进程间通信(InterProcess Communication,IPC)功能。源代码位于drivers/staging/android/binder.c。

    2)Android电源管理(PM) 一个基于标准Linux电源管理系统的轻量级Android电源管理驱动,针对嵌入式设备做了很多优化。源代码位于:

kernel/power/earlysuspend.c

kernel/power/consoleearlysuspend.c

kernel/power/fbearlysuspend.c

kernel/power/wakelock.c

kernel/power/userwakelock.c

    3)低内存管理器(Low Memory Killer) 比Linux的标准的OOM(Out Of Memory)机制更加灵活,它可以根据需要杀死进程以释放需要的内存。源代码位于 drivers/staging/ android/lowmemorykiller.c。

    4)匿名共享内存(Ashmem) 为进程间提供大块共享内存,同时为内核提供回收和管理这个内存的机制。源代码位于mm/ashmem.c。

    5)Android PMEM(Physical) PMEM用于向用户空间提供连续的物理内存区域,DSP和某些设备只能工作在连续的物理内存上。源代码位于drivers/misc/pmem.c。

    6)Android Logger 一个轻量级的日志设备,用于抓取Android系统的各种日志。源代码位于drivers/staging/android/logger.c。

    7)Android Alarm 提供了一个定时器,用于把设备从睡眠状态唤醒,同时它还提供了一个即使在设备睡眠时也会运行的时钟基准。源代码位于drivers/rtc/alarm.c。

    8)USB Gadget驱动 一个基于标准 Linux USB gadget驱动框架的设备驱动,Android的USB驱动是基于gaeget框架的。源代码位于drivers/usb/gadget/。

    9)Android Ram Console 为了提供调试功能,Android允许将调试日志信息写入一个被称为RAM Console的设备里,它是一个基于RAM的Buffer。源代码位于drivers/staging/android / ram_console.c。

    10)Android timed device 提供了对设备进行定时控制的功能,目前支持vibrator和LED设备。源代码位于drivers/staging/android /timed_output.c(timed_gpio.c)。

    11)Yaffs2 文件系统 Android采用Yaffs2作为MTD nand flash文件系统,源代码位于fs/yaffs2/目录下。Yaffs2是一个快速稳定的应用于NAND和NOR Flash的跨平台的嵌入式设备文件系统,同其他Flash文件系统相比,Yaffs2能使用更小的内存来保存其运行状态,因此它占用内存小。Yaffs2的垃圾回收非常简单而且快速,因此能表现出更好的性能。Yaffs2在大容量的NAND Flash上的性能表现尤为突出,非常适合大容量的Flash存储。

    上面这些要点足以说明Android不是Linux。看来,只要把Linux内核编程学好,想要做Android底层开发工作入门还是比较轻松的。在这里先总体浏览一下Android对Linux内核进行了哪些改动,在以后对Android做移植时就需要对这些改动加以调整了。

    接下来详细列举下Android主要改动的部分:

1 、Goldfish

    Android模拟器通过运行一个Goldfish的虚拟CPU.Goldfish来运行arm926t指令集(arm926t属于armv5构架),并且仿真了输入/输出,比如键盘输入和LCD 输出。这个模拟器其实是在qemu之上开发的,输入/输出是基于libSDL的。既然Goldfish是被模拟器运行的虚拟CPU,那么当Android在真实的硬件设备上运行时,我们就需要去掉它,因此,只有知道Google对Goldfish做了哪些具体改动之后才能正确地去掉。据统计,Android 内核对Goldfish的改动主要涉及44个文件,具体汇总如下。

    这里被改动的文件前面加了Chg标记,在新增的文件前面加了New标记。

1、Chg:arch/arm/Makefile添加CONFIG_ARCH_GOLDFISH

2、New:arch/arm/configs/goldfish_defconfig默认配置文件

3、New:arch/arm/mach-goldfish/Kconfig为Goldfish CPU添加Kernel配置文件

4、New:arch/arm/mach-goldfish/Makefile添加board-goldfish.o

5、New:arch/arm/mach-goldfish/Makefile.boot为Goldfish CPU进行启动配置

6、New:arch/arm/mach-goldfish/audio.c Audio的输入/输出

7、New:arch/arm/mach-goldfish/board-goldfish.c中断请求、输入/输出等

8、New:arch/arm/mach-goldfish/pdev_bus.c设备总线

9、New:arch/arm/mach-goldfish/pm.c电源管理

10、New:arch/arm/mach-goldfish/switch.cSwitch控制

11、New:arch/arm/mach-goldfish/timer.c获取和设置时间

12、Chg:arch/arm/mm/Kconfig添加ARCH_GOLDFISH到支持列表

13、Chg:drivers/char/Makefile添加goldfish_tty

14、New:drivers/char/goldfish_tty.cTTY驱动

15、Chg:drivers/input/keyboard/Kconfig为Goldfish的键盘事件添加配置文件

16、Chg:drivers/input/keyboard/Makefile添加goldfish_events事件

17、New:drivers/input/keyboard/goldfish_events.cGoldfish键盘驱动

18、Chg:drivers/mmc/host/Kconfig添加Kernel配置选项Goldfish MMC卡

19、Chg:drivers/mmc/host/Makefile添加Goldfish MMC卡驱动

20、New:drivers/mmc/host/goldfish.c多媒体驱动

21、Chg:drivers/mtd/devices/Kconfig为Goldfish的NAND flash device添加Kernel配置选项

22、Chg:drivers/mtd/devices/Makefile添加goldfish_nand

23、New:drivers/mtd/devices/goldfish_nand.cNAND flash驱动

24、New:drivers/mtd/devices/goldfish_nand_reg.hNAND flash驱动

25、Chg:drivers/power/Kconfig为Goldfish的battery(电池)驱动添加kernel配置选项

26、Chg:drivers/power/Makefile添加Goldfish电池

27、New:drivers/power/goldfish_battery.c能源和电池状态驱动

28、Chg:drivers/rtc/Kconfig为Goldfish的rtc(时钟)驱动添加Kernel配置选项

29、Chg:drivers/rtc/Makefile添加rtc-goldfish

30、New:drivers/rtc/rtc-goldfish.c实时时钟驱动

31、Chg:drivers/video/Kconfig添加Goldfish的framebuffer

32、Chg:drivers/video/Makefile添加Goldfish的framebuffer

33、New:drivers/video/goldfishfb.cframebuffer驱动

34、New:include/asm-arm/arch-goldfish/dma.h

35、New:include/asm-arm/arch-goldfish/entry-macro.S

36、New:include/asm-arm/arch-goldfish/hardware.h

37、New:include/asm-arm/arch-goldfish/io.h

38、New:include/asm-arm/arch-goldfish/irqs.h

39、New:include/asm-arm/arch-goldfish/memory.h

40、New:include/asm-arm/arch-goldfish/system.h

41、New:include/asm-arm/arch-goldfish/timer.h

42、New:include/asm-arm/arch-goldfish/timex.h

43、New:include/asm-arm/arch-goldfish/uncompress.h

44、New:include/asm-arm/arch-goldfish/vmalloc.h

2 、YAFFS2
    不同于PC机(文件是存储在硬盘上的),手机使用FLASH作为存储介质。HTC的G1使用的是NAND FLASH——这种存储目前已经相当普及了,而且种类也颇多(如SLC、MLC等),存储密度也越来越高(已经出现几十GB大小的NANDFLASH),价格也越来越低。

    YAFFS2是专门用在FLASH上的文件系统,YAFFS2是“Yet Another Flash File System,2nd edition”的缩写。YAFFS2为Linux内核提供了一个高效访问NANDFLASH的接口。但是NANDFLASH的支持并不包含在标准的2.6.25内核中,所以Google在其中添加了对NANDFLASH的支持。据统计,为了支持YAFFS2,Google一共改动和增加了以下35个文件:

1、Chg:fs/Kconfig添加YAFFS配置

2、Chg: fs/Makefile添加YAFFS

    以下为新增的YAFFS2:

1、New:fs/yaffs2/Kconfig18New:fs/yaffs2/yaffs_mtddif2.h

2、New:fs/yaffs2/Makefile19New:fs/yaffs2/yaffs_nand.c

3、New:fs/yaffs2/devextras.h20New:fs/yaffs2/yaffs_nand.h

4、New:fs/yaffs2/moduleconfig.h21New:fs/yaffs2/yaffs_nandemul2k.h

5、New:fs/yaffs2/yaffs_checkptrw.c22New:fs/yaffs2/yaffs_packedtags1.c

6、New:fs/yaffs2/yaffs_checkprtw.h23New:fs/yaffs2/yaffs_packedtags1.h

7、New:fs/yaffs2/yaffs_ecc.c24New:fs/yaffs2/yaffs_packedtags2.c

8、New:fs/yaffs2/yaffs_ecc.h25New:fs/yaffs2/yaffs_packedtags2.h

9、New:fs/yaffs2/yaffs_fs.c26New:fs/yaffs2/yaffs_qsort.c

10、New:fs/yaffs2/yaffs_getblockinfo.h27New:fs/yaffs2/yaffs_qsort.h

11、New:fs/yaffs2/yaffs_guts.c28New:fs/yaffs2/yaffs_tagscompat.c

12、New:fs/yaffs2/yaffs_guts.h29New:fs/yaffs2/yaffs_tagscompat.h

13、New:fs/yaffs2/yaffs_mtdif.c30New:fs/yaffs2/yaffs_tagsvaliditiy.c

14、New:fs/yaffs2/yaffs_mtdif.h31New:fs/yaffs2/yaffs_tagsvalidity.h

15、New:fs/yaffs2/yaffs_mtddif1.c32New:fs/yaffs2/yaffsinterface.h

16、New:fs/yaffs2/yaffs_mtddif1.h33New:fs/yaffs2/yportenv.h

17、New:fs/yaffs2/yaffs_mtddif2.c

3、 蓝牙

    在蓝牙通信协议栈里Google修改了10个文件。这些改动修复了一些与蓝牙耳机相关的明显的Bug,以及一些与蓝牙调试和访问控制相关的函数,具体如下所示。

1、Chg:drivers/bluetooth/Kconfig添加HCI UART Debug

2、Chg:drivers/bluetooth/hci_II.c如果HCI UART Debug定义在Kernel配置中,则添加BT_DBG()宏

3、Chg:net/bluetooth/Kconfig添加配置选项L2CAP, HCI_CORE, HCI_SOCK,以及通用接口和语音

4、Chg:net/bluetooth/af_bluetooth.c如果CONFIG_ANDROID_PARANOID_NETWORK被定义,则添加蓝牙功能的安全检查

5、Chg:net/bluetooth/hci_event.c修正蓝牙的加密Bug和增加语音的支持

6、Chg:net/bluetooth/rfcomm/core.c修正Bug

7、Chg:net/bluetooth/rfcomm/sock.c修复Bug

8、Chg:net/bluetooth/sco.c禁用SCO链接

9、Chg:include/net/bluetooth/hci_core.h禁用LMP_ESCO

10、Chg:include/net/bluetooth/rfcomm.h在rfcomm_dlc中添加“out”参数

4 、调度器(Scheduler)

    Android内核还修改了与进程调度和时钟相关的策略。只改动了5个文件,如下:

1、Chg:kernel/sched.c添加NORMALIZED_SLEEPER

2、Chg:kernel/sched_fair.c修改内核的调度方式

3、Chg:kernel/softirq.c修改为CPU调度

4、Chg:kernel/time/tick-sched.c修改为CPU调度

5、Chg:include/linux/tick.h如果CONFIG_NO_HZ被定义,则添加tick_nohz_ update_ stopped_ sched_tick()

5、 Android新增的驱动

    Android在Linux的基础上新增了许多特有的驱动,如下所示。

    1)IPC Binder 一种IPC(进程间通信)机制。它的进程能够为其他进程提供服务——通过标准的Linux系统调用API。IPC Binder的概念起源于一家名为Be.Inc的公司,在Google之前就已经被Palm软件采用了。

    2)Low Memory Killer 其实内核里已经有一个类似的功能,名称为oom killer(out of memory killer)。当内存不够的时候,该策略会试图结束一个进程。

    3)Ashmem 匿名共享内存。该功能使得进程间能够共享大块的内存。比如说,系统可以使用Ashmem保存一些图标,多个应用程序可以访问这个共享内存来获取这些图标。Ashmem为内核提供了一种回收这些使用完的共享内存块的方法,如果某个进程试图访问这些已经被回收的内存块,它将会得到错误的返回值,以便它重新进行内存块分配和数据初始化。

    4)RAM Console and Log Device 为了调试方便,Android添加了一个功能,使调试信息可以输入到一个内存块中。此外,Android还添加了一个独立的日志模块,这样用户空间的进程就能够读写日志消息,以及调试打印信息等。

    5)Android Debug Bridge 嵌入式设备的调试的确比较麻烦,为了便于调试,Google设计了这个调试工具,可以简称为ADB,使用USB作为连接方式,ADB可以看做是连接Android设备和PC机的一套协议。

    除了这些主要的功能之外,Android还增加了诸如 real-time clock、switch、timed GPIO等功能,所有这些改动和增加包含在以下28个文件之中。

1、Chg:drivers/Kconfig进入配置文件

2、Chg:drivers/Makefile添加switch,驱动等

3、New:drivers/android/Kconfig添加BINDER_IPC、POWER、POWER_STAT、POWER_ ALARM、LOGGER、RAM_CONSOLE、TIMED_GPIO、PARANOID_NETWORK到配置中

4、New:drivers/android/Makefile添加binder.o、power.o、alarm.o、logger.o、ram_console.o、timed_gpio

5、New:drivers/android/alarm.c系统硬件时钟和实时时钟管理

6、New:drivers/android/binder.cIPC机制(Binder)

7、New:drivers/android/logger.cGoogle的日志API

8、New:drivers/android/ram_console.cRAM控制台和日志设备方便调试 [1]

9、New:drivers/android/timed_gpio.cGoogle的GPIO定时驱动

10、New:drivers/switch/Kconfig为GPIO添加配置选项

11、New:drivers/switch/Makefile引入GPIO驱动

12、New:drivers/switch/switch_class.c

13、New:drivers/switch/switch_gpio.c

14、Chg:drivers/usb/gadget/Kconfig添加ADB配置选项

15、Chg:drivers/usb/gadget/Makefile编译ADB所需的配置选项

16、New:drivers/usb/gadget/android_adb.cADB驱动

17、New:include/linux/android_aid.h添加AIDs、INET、networking

18、New:include/linux/android_alarm.h时钟功能设置

19、New:include/linux/android_timed_gpio.hGPIO结构体

20、New:include/linux/ashmem.hAndroid共享内存

21、New:include/linux/binder.hBinder IPC API定义

22、New:include/linux/logger.hLogger定义

23、New:include/linux/switch.hGPIO switch接口

24、Chg:mm/Makefile添加ashmem.o

25、New:mm/ashmem.c内存共享实现

26、Chg:drivers/misc/Kconfig添加LOW_MEMORY_KILLER配置选项

27、Chg:drivers/misc/Makefile添加lowmemorykiller.c

28、New:drivers/misc/lowmemorykiller.c当内存过低时,选择并结束进程

6 、电源管理

    电源管理(Power Management)对于移动设备来说相当重要,也是最为复杂和开发难度最高的一个功能。Google添加了一个新的电源管理系统,不包含原有的apm和dpm等。这项改动主要涉及以下5个文件:

1、New:include/linux/android_power.h定义电源管理API

2、New:drivers/android/power.c电源管理API实现

3、Chg:drivers/input/evdev.c修改Android电源处理方式

4、Chg:fs/inotify_user.c修改Android电源处理方式

5、Chg:kernel/power/process.c修改Android电源处理方式

7、 杂项

    除了上述改动之外,还有一些小改动,如新增的额外调试功能、键盘背光控制、TCP 网络管理等,共涉及36个文件,如下所示。

1、New:Documentation/vm/pagemap.txt

2、Chg:arch/arm/Kconfig添加HAVE_LATENCYTOP_SUPPORT和ARCH_GOLDFISH

3、Chg:arch/arm/kernel/process.c添加dump_task_regs方法

4、Chg:arch/arm/kernel/signal.c解决系统无法重新启动的问题

5、Chg:arch/arm/kernel/stacktrace.c改进调试栈跟踪

6、Chg:arch/arm/mm/abort-ev6.S

7、Chg:drivers/char/Kconfig添加Memory device driver和Goldfish TTY driver

8、Chg:drivers/char/mem.c使编译结果输出到/dev/kmem and /dev/mem

9、Chg:drivers/leds/Kconfig当CPU运行时打开LEDS,但是屏幕是关闭的

10、Chg:drivers/leds/Makefile添加编译ledtrig-sleep.o

11、New:drivers/leds/ledtrig-sleep.c睡眠(当关闭屏幕后CPU仍然运行)

12、Chg:drivers/rtc/class.c修正实时时钟误差的Bug

13、Chg:fs/fat/dir.c添加VFAT_IOCTL_GET_VOLUME_ID到fat_dir_ioctl()

14、Chg: fs/fat/inode.c

15、Chg:fs/proc/base.c当内存不足时调整/proc文件

16、Chg:fs/proc/proc_misc.c修正kpagecount_read和kpageflags_read返回的一些错误

17、Chg:fs/proc/task_mmu.c简化add_to_pagemap中的错误检查

18、Chg:include/asm-arm/elf.h添加ELF_CORE_COPY_TASK_REGS()宏调用dump_task_ regs(...)

19、Chg:include/linux/mm.h添加shmem_set_file(...)函数原型

20、Chg:include/linux/msdos_fs.h添加VFAT_IOCTL_GET_VOLUME_ID宏

21、Chg:kernel/hrtimer.c修复run_hrtimer_pending错误

22、Chg:init/Kconfig添加PANIC_TIMEOUT默认为0

23、Chg:kernel/panic.c设置默认的panic_timeout:从kernel配置到PANIC_TIMEOUT

24、Chg:kernel/power/console.c修复虚拟控制台的错误信息

25、Chg:kernel/printk.c修复printk错误

26、Chg:mm/filemap.c修正filemap_fault

27、Chg:mm/shmmem.c重构shmem_zero_setup

28、Chg:mm/tiny-shmem.c重构shmem_zero_setup

29、Chg:include/linux/sockios.h添加SIOCKILLADDR控制

30、Chg:include/net/tcp.h添加tcp_v4_nuke_addr函数

31、Chg:net/ipv4/Makefile如果设置CONFIG_SYSFS,编译sysfs_net_ipv4

32、Chg:net/ipv4/af_inet_c如果定义CONFIG_ANDROID_PARANOID_NETWORK,则添加安全检查

33、Chg:net/ipv4/devinet.c添加SIOCKILLADDR

34、Chg:net/ipv4/sysfs_net_ipv4.c控制TCP窗口长度

35、Chg:net/ipv4/tcp_ipv4.c添加tcp_v4_nuke_addr函数

36、Chg:net/ipv6/af_inet6.c如果定义CONFIG_ANDROID_PARANOID_NETWORK,则添加安全检查

    上面这些看似简单,但是非常重要,当大家进行系统级应用开发和程序移植时都需要研究这些文件。对于每个文件的具体改动方式和实现,我们需要进一步查看Android的内核源代码,这是后面将要详细讲解的内容。

    为了调试方便,Android 添加了一个功能,使得调试信息可以输入到一个内存块中。此外, Android 添加了一个独立的日志模块,这样用户空间的进程能够读写日志消息,调试打印信息等。

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发表于 2012-2-7 11:02:56 |显示全部楼层
学习下,不错的文章……

Rank: 1

发表于 2012-2-11 20:26:23 |显示全部楼层
很好的文章,顶一个

Rank: 1

发表于 2012-4-24 13:04:25 |显示全部楼层
回贴走人……

Rank: 1

发表于 2013-3-21 16:55:35 |显示全部楼层
Good Job
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