我的NPI项目之设备系统启动(八) -- Android14的GKI2.0开发步骤和注意事项

GKI是什么？ Google为什么要推行GKI？

GKI全称General Kernel Image。GKI在framework和kernel之间提供了标准接口，使得android OS能够轻松适配/维护/兼容不同的设备和linux kernel。

Google引入GKI的目的是将Framework和Kernel进一步的解耦。因为，android一直高度依赖linux kernel， linux kernel一更新，android系统就要跟着适配更新。google发步的安全patch，也会因为kernel的版本而掣肘。

通用内核映像 (GKI) 项目通过统一核心内核并将 SoC 和板级支持从核心内核移至可加载模块中，解决了内核碎片化问题。GKI 内核为内核模块提供了稳定的内核模块接口 (KMI)，因此模块和内核可以独立进行更新。

内核碎片化带来的问题：（市面上的内核版本太多，严重阻碍了Android的迭代更新），具体描述如下：

1. 安全更新需要耗费大量人力
Android 安全公告 (ASB) 中引用的安全补丁程序必须向后移植（旧的android 系统）到每个设备内核中。但是，由于存在内核碎片化问题，向正常使用的 Android 设备传播安全修复的代价非常之高。

2. 很难合并长期支持的更新
长期支持 (LTS) 版本包含安全修复和其他重大问题修复。事实证明，使用最新的 LTS 版本是提供安全修复的最有效方式。我们发现，ASB 报告的内核安全问题中有 90% 都已在保持最新状态的 Pixel 设备上得到修复。（简单一句话，打补丁不如升级OS）

不过，由于设备内核中所有的自定义修改，很难仅将 LTS 修复合并到设备内核中。

3. 妨碍 Android 平台进行版本升级
由于碎片化问题，很难向正常使用的设备添加需要更改内核的 Android 新功能。Android 框架代码必须假设支持的内核版本多达 5 个，并且没有针对新的平台版本进行任何内核更改（Android 10 支持内核版本 3.18、4.4、4.9、4.14 和 4.19；在某些情况下，这些版本自 2017 年 Android 8 发布以来还未添加新功能）。

4. 很难将内核更改贡献回上游 Linux
对内核进行完所有更改后，大多数旗舰设备附带的内核版本已经至少存在 18 个月了。例如，kernel.org 于 2017 年 11 月发布了 4.14 版内核，而首批使用 4.14 版内核的 Android 手机于 2019 年春季才发布（新特性上推linux main branch就太晚了）。

上游内核发布与产品发布之间的这种长时间延迟导致 Android 社区很难将所需的功能和驱动程序馈送到上游内核中，因此解决碎片化问题并非易事。

于是就有了GKI项目！！！！！大家还记得从Android8引入的Trible 机制吗？也是Android将framwork和linux kernel解耦的一个项目。

总而言之，无论是Android还是Apple OS 都是希望能够将自己的最新OS推送到尽可能多的设备上，从而抢占市场分额！

核心特性和目标如下：

1. 基于 ACK 来源构建而成。(ACK , Android/Aosp common kernel,Android最上游代码）
2. 是每个架构和每个 LTS 版本的单内核二进制文件以及关联的可加载模块（目前只有适用于 android11-5.4 和 android12-5.4 的 arm64）。
3.已经过关联 ACK 支持的所有 Android 平台版本的测试。在 GKI 内核版本的生命周期内不会发生功能弃用。
4. 为给定 LTS 中的驱动程序提供了稳定版 KMI。
5. 不包含 SoC 专用代码或板卡专用代码。（这个很好理解，不包含e.g specifc Qualcomm and Board code)。

Key features and goals of Android GKI include:

Stability（稳定性）: The GKI aims to maintain a stable ABI（Application Binary Interface//应用程序二进制接口）, ensuring that the Android framework can work with different kernel versions without requiring modifications.

Compatibility（兼容性）: GKI enables Android to run on a wide range of devices with different kernel configurations, reducing fragmentation and enabling faster updates.

Portability（可移植性）: By abstracting Android from the underlying kernel, GKI simplifies the process of porting Android to new devices and adapting it to different kernel versions.

Security（安全性）: GKI facilitates the timely delivery of security patches（通常是Google的安全性补丁） and updates by decoupling the Android framework from the kernel, allowing for more efficient patching processes.

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GKI可以更改吗？

通常在开发中我们不修改，而且其GKI镜像中的内容配置文件，我们也不可以修改，例如：

../kernel_platform/msm-kernel/arch/arm64/configs/gki_defconfig

但是Android的官网也提供了修改的方法，如下说明，分别有三个方面（再次提醒，通常作为ODM是不改的，（Android(ACK) / Qualcomm(供应商内核） / ODM（设备内核））；

1. 将新功能配置为 GKI 模块。 

2. 将内置内核功能配置为 GKI 模块。

3. 将受保护的 GKI 模块转换为不受保护的模块。 

以上三个类型的修改，后面需要的时候可以进一步细看。有一个提醒就是，无论哪个修改，都必需需要提交更改以供审核。GKI 模块是 Android 专用内核功能，因此无需在上游提交模块转换补丁。不过，您必须按照其他准则提交 Android 通用内核 (ACK) 补丁。

什么是ACK，简称AOSP Common Kernel，应该是和LKML几乎一样的分支内容。官网的解释是

AOSP 通用内核（也称为 Android 通用内核或ACK https://android.googlesource.com/kernel/common/ ）是kernel.org内核的下游，包含 Android 社​​区感兴趣的尚未合并到主线或长期支持 (LTS) 内核中的补丁。

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官网对android-mainlin做简单介绍：

android-mainline是 Android 功能的主要开发分支。每当 Linus Torvalds 发布版本或候选版本时，Linux 主线就会合并到android-mainline中。 2019 年之前，Android 通用内核是通过克隆最近声明的 LTS（Long Time Support) 内核并添加 Android 特定补丁来构建的。这个过程在 2019 年发生了变化，从android-mainline分支出新的 Android 通用内核。这种新模型通过逐步实现相同的结果，避免了转发端口和测试 Android 补丁的大量工作。 android-mainline经过重要的持续测试，该模型从发布之日起就确保了高质量的内核。

当上游声明一个新的 LTS 时，相应的公共内核将从android-mainline分支出来。这允许合作伙伴在声明 LTS 版本之前通过从android-mainline合并来开始项目。创建新的通用内核分支后，合作伙伴可以无缝地将合并源更改为新分支。

其他常见的内核分支从其关联的LTS 内核接收定期合并。这些合并通常在 LTS 版本发布后立即完成。例如，当 Linux 4.19.64 发布时，它被合并到 4.19 通用内核中（例如android-4.19-q ）。强烈鼓励合作伙伴(Qualcomm ? MTK?) 定期将通用内核(GKI)合并到其产品内核中，以及时了解 LTS 和 Android 特定错误修复的最新情况（Qualcomm 会不定期的去合并Android的通用内核补丁）。

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所以，想给ACK 提交补丁一定是要经过严格省查的。所以，作为ODM开发中，通常不会这么做。对处理器/个别电子器件精通的内核维护者通常能够给linux内核提交patch，那也绝对是行业大牛；通常ODM开发内核中的驱动，我们通常需要定义在自己的config文件中，并且是一=m的形式进行编译。开机过程中，需要进行动态加载的。这个是目前GKI2.0的基本要求。

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官网对GKI KMI内核分支介绍

GKI 内核具有稳定的内核模块接口。 KMI (内核模块接口）由内核版本和 Android 平台版本唯一标识，因此分支被命名为<androidRelease>-<kernel version> 。例如，Android 11 的 5.4 GKI 内核名为android11-5.4.对于 Android 12，还有两个额外的 GKI 内核： android12-5.4和android12-5.10 。kernel_platform/msm-kernel/Makefile. 我的高通平台是从Android 12 launch的。

也就是说，Android发布时候会绑定对应的linux kernel版本，目的是提供一个固定KMI。后续开发者可以根据KMI中的接口，进行对应的内核开发。

从 Android 12 开始，功能内核将少于启动内核，以限制功能内核的数量必须支持的稳定 KMI。

简单看下KMI的时间线：

每个 ACK​​ KMI 分支都会循环经历三个阶段: 例如android12-5.10

开发阶段：

创建后，ACK KMI （我理解这是一个kernel分支，GKI则是对应的内核镜像）分支进入开发阶段（图 2 中的dev ），并开放为下一个 Android 平台版本提供功能贡献。当 5.10 被声明为新的上游 LTS 内核时，创建了android12-5.10 。内核版本的第二个 ACK​​ KMI 分支可能会提前创建，以允许后续版本的开发。android13-5.10是在android12-5.10过渡出开发阶段时创建的。

稳定阶段：

当 ACK KMI 分支声明功能完成时，它会进入稳定阶段，在图 2 中标记为稳定阶段。合作伙伴功能和错误修复仍然被接受(合作伙伴：e.g Qualcomm)，但启用了 KMI 跟踪以检测影响接口的任何更改。在此阶段，会接受破坏 KMI 的更改，但必须根据需要更新 KMI 定义。有关 KMI 监控的详细信息，请参阅GKI 概述。

冷冻阶段：

在将新平台版本推送到 AOSP 之前，ACK KMI 分支会被冻结，并在分支的生命周期内保持冻结状态。这意味着，除非发现严重的安全问题，且无法在不影响稳定 KMI 的情况下缓解，否则不会接受任何破坏 KMI 的更改。为了避免 KMI 损坏，如果 Android 设备不需要修复，则可能会修改或删除从 LTS 合并的一些补丁。

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GKI1.0的情况，这里就不多解释，有个核心的要求是：GKI 1.0 不要求供应商模块可卸载，可以=y。

我们看看GKI2.0的情况下，

GKI 2.0 - GKI 产品
搭载 Android S (2021) 平台版本且使用内核版本 v5.x（5.x 是 2020 年年底被选为 LTS 的内核版本）或更高版本的设备必须附带 GKI 内核(将提供已签名的启动映像，并通过 LTS 和重大问题修复定期对其进行更新。由于 KMI 将保持二进制稳定性，因此无需对供应商映像进行任何更改，即可安装这些启动映像。

GKI 2.0 的目标
1. 不为 GKI 引入明显的性能或能效降低问题。
2. 使 OEM 无需供应商参与即可提供内核安全修复和问题修复 (LTS)。（是说OEM直接从Google 获取补丁？而不用从e.g Qualcomm获取？）
3. 降低更新设备主要内核版本（例如，将 v5.x 更新为 v5.y）所需的费用。（通常我们的升级直接从Qualcomm拉代码）
4. 通过按照清晰的升级过程更新内核版本，只为每个架构（例如Qualcomm6490 Armv7 架构）维护一个 GKI 内核二进制文件。

开发有关：
GKI2.0 下的内核开发，首先要注意，需要遵循GKI2.0中要求的ABI接口检查，目的是，你不能更改KMI中的接口。这个部分，可以在编译中进行检查。

详细的说明如下ABI检查如下：

ABI 工具使用 KMI 符号列表来限制必须监控哪些接口以实现稳定性。主符号列表包含 GKI 内核模块所需的符号。供应商应提交并更新其他符号列表，以确保其依赖的接口保持 ABI 兼容性。

符号列表包含报告的特定供应商或设备所需的符号。工具使用的完整列表是所有 KMI 符号列表文件的并集。ABI 工具会确定每个符号的详细信息，包括函数签名和嵌套数据结构。

当 KMI 被冻结时，不允许对现有 KMI 接口进行任何更改；它们是稳定的。

当有补丁改动了KMI 接口或者数据结构（例如include/linux/mmxx.h)，应用此补丁后再次运行 build ABI 时，该工具会退出，同时显示非零错误代码并报告ABI错误。例如：

 Leaf changes summary: 1 artifact changed
  Changed leaf types summary: 1 leaf type changed
  Removed/Changed/Added functions summary: 0 Removed, 0 Changed, 0 Added function
  Removed/Changed/Added variables summary: 0 Removed, 0 Changed, 0 Added variable
 
  'struct mm_struct at mm_types.h:372:1' changed:
    type size changed from 6848 to 6912 (in bits)
    there are data member changes:
  [...]

最常见的错误原因是，驱动程序使用了内核中不在符号列表中的新符号。目前，我使用的符号表是：hon4490-android14-vendor/kernel_platform/common/android/abi_gki_aarch64_qcom，当出现问题时，第一时间检查该接口是否在符号列表中。

最后，新的设备驱动是需要单独配置到kernel configure中，而且必需以=m的形式进行，这是GKI2.0的标准要求。

举个例子：

例如，需要往内核中添加一个新的设备驱动，Touch的驱动。

1. 修改上一层目录中的Kconfig/Makefile，添加驱动编译规则，例如

obj-$(CONFIG_TOUCHSCREEN_ATMEL_MAXTOUCH_TS)	+= xxx.o

那么，同样需要将CONFIG_TOUCHSCREEN_ATMEL_MAXTOUCH_TS编译选项添加到整个内核的编译配置中，才能够在编译内核的时候进行编译。

这里使用到的就是 configs/vendor/xxx_GKI.config ， 添加CONFIG_TOUCHSCREEN_ATMEL_MAXTOUCH_TS=m的编译配置。其实同样可以添加到configs/vendor/xxx_consolidate.config。这里的区别是什么？原来，xxx_consolidate.config是编译userdebug时候被包含的配置文件。

那关于GKI2.0的大概历史就是这样，相关的开发注意事项需要结合开发过程进行深化理解。

实干出真知！