如何優(yōu)雅地參與開源貢獻(xiàn)，向頂級開源項(xiàng)目提交PR（Pull Request），跟著大咖30分鐘成為OpenAtom OpenHarmony（簡稱“OpenHarmony”）Contributor。戰(zhàn)“碼”先鋒直播間第五期，邀請華為終端BG OpenHarmony基礎(chǔ)軟件SIG/技術(shù)專家Handy為大家分享《OpenHarmony設(shè)備啟動(dòng)過程與模塊化開發(fā)實(shí)踐》。分享主要分為四個(gè)部分：OpenHarmony設(shè)備啟動(dòng)的基本過程，基于qemu平臺(tái)的最小系統(tǒng)介紹，init進(jìn)程的設(shè)計(jì)理念，以及如何基于qemu進(jìn)行init的擴(kuò)展模塊開發(fā)。

● 第一部分，是從宏觀上了解OpenHarmony在設(shè)備上的啟動(dòng)引導(dǎo)過程，了解操作系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)的基本概念和相關(guān)術(shù)語。

● 第二部分，介紹基于qemu虛擬機(jī)平臺(tái)的最小系統(tǒng)，如何在不要開發(fā)板的情況下進(jìn)行OpenHarmony標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件的開發(fā)。

● 第三部分，介紹OpenHarmony第一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程init的設(shè)計(jì)理念。

● 第四部分，介紹如何基于qemu虛擬機(jī)平臺(tái)進(jìn)行init的模塊化開發(fā)。

1. 設(shè)備啟動(dòng)過程

1.1 OS啟動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)概述

在介紹OpenHarmony操作系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)過程前，Handy老師先回顧了傳統(tǒng)PC行業(yè)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過程。上圖是傳統(tǒng)PC硬件和操作系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)，其中底層的是硬件主板，在主板上板載的firmware將完成主板的自啟；然后掃描存儲(chǔ)設(shè)備，包括硬盤、光盤、U盤等；再從存儲(chǔ)設(shè)備上識(shí)別已安裝的操作系統(tǒng)，最終從這些操作系統(tǒng)上啟動(dòng)。

在PC環(huán)境下，firmware都遵循UEFI標(biāo)準(zhǔn)。UEFI是一個(gè)非常復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，由CPU廠商，PC主板廠商和OS廠商聯(lián)合開發(fā)，主要包括Win-Tel。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了固件和操作系統(tǒng)之間的接口，適應(yīng)了PC硬件的開放式架構(gòu)，使得不同的操作系統(tǒng)都可以在各個(gè)不同廠商的CPU、主板、硬盤、內(nèi)存上運(yùn)行。UEFI標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)包括EDK2、coreboot、LinuxBoot等。

但在嵌入式系統(tǒng)中，這些標(biāo)準(zhǔn)則相對簡化。因?yàn)?a target="_blank">嵌入式設(shè)備不像早期PC一樣可以任意組裝。嵌入式設(shè)備就像一體機(jī)，SOC、RAM、EMMC、外設(shè)以及操作系統(tǒng)等都是在設(shè)備出廠時(shí)預(yù)制好，消費(fèi)者開箱即用。因此，SOC板載的firmware一般相對簡化，只需要加載到bootloader，操作系統(tǒng)開發(fā)人員基本不關(guān)心SOC的firmware。

Bootloader是操作系統(tǒng)的直接上游，操作系統(tǒng)需要由Bootloader來加載并運(yùn)行。在嵌入式系統(tǒng)中，一般都采用uboot。在uboot中可以指定操作系統(tǒng)鏡像在存儲(chǔ)器中的具體位置，這次主要基于u-boot介紹OpenHarmony標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)過程。

另外還有兩個(gè)基本概念：分區(qū)表和OS鏡像。分區(qū)表是用來把存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行劃分，不同區(qū)域存放不同的OS鏡像。

1.2 OpenHarmony啟動(dòng)引導(dǎo)分區(qū)加載過程

上圖為我們指明了OpenHarmony相關(guān)的OS鏡像。u-boot首先加載boot.img和ramdisk.img。boot.img是內(nèi)核鏡像，ramdisk.img是最早的用戶態(tài)進(jìn)程鏡像，其中就包括init進(jìn)程。通過這兩個(gè)OS鏡像，系統(tǒng)可以啟動(dòng)到最基本的shell，這里還沒有啟動(dòng)任何業(yè)務(wù)。

在ramdisk.img的init進(jìn)程里，會(huì)主動(dòng)掛載system.img和vendor.img，并掃描其中的啟動(dòng)配置文件，拉起各個(gè)進(jìn)程。system.img和vendor.img是OpenHarmony中各個(gè)子系統(tǒng)編譯后產(chǎn)物的集合。

從上圖右側(cè)文字我們可以看到，u-boot和OpenHarmony鏡像啟動(dòng)時(shí)都需要知道分區(qū)表信息。分區(qū)表信息有多種方式傳遞，一般包括GPT分區(qū)表，bootargs分區(qū)表。圖中示意的是u-boot通過blkdevparts這個(gè)bootargs傳遞給內(nèi)核。內(nèi)核會(huì)根據(jù)這些信息創(chuàng)建對應(yīng)的block設(shè)備。同時(shí)還有root這個(gè)節(jié)點(diǎn)，告知內(nèi)核從哪里掛載根文件系統(tǒng)，從而啟動(dòng)init。

ramdisk里的init最重要的幾個(gè)事件包括：創(chuàng)建并掛載根文件系統(tǒng)，包括tmpfs、dev節(jié)點(diǎn)、procfs等。同時(shí)，需要掛載system.img和vendor.img，這兩個(gè)是啟動(dòng)過程的必選分區(qū)。當(dāng)前Release版本里是通過ramdisk.img里的required.fstab文件來配置system、vendor分區(qū)的掛載參數(shù)；最新master版本還支持通過ohos.required_mount.xxx bootargs參數(shù)來提供這些掛載參數(shù)；具體參考文檔可以參考《啟動(dòng)子系統(tǒng)概述》（https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/zh-cn/device-dev/subsystems/subsys-boot-overview.md）。

ramdisk里的init完成system/vendor的掛載后，就開始進(jìn)入system/vendor系統(tǒng)中，開始第二階段并發(fā)啟動(dòng)的過程。此時(shí)，init會(huì)掃描/{system,vendor}/etc/init下的各個(gè)啟動(dòng)配置文件，拉起各個(gè)子系統(tǒng)的服務(wù)，并最終拉起應(yīng)用。在分區(qū)掛載方面，還有一個(gè)重要的配置文件/vendor/etc/fstab.{hardware}；這個(gè)可以定義更多需要掛載的分區(qū)，包括data分區(qū)，以及產(chǎn)品擴(kuò)展的分區(qū)。

1.3 OpenHarmony系統(tǒng)進(jìn)程啟動(dòng)過程

隨后，Handy老師為我們介紹了進(jìn)入OpenHarmony系統(tǒng)后，用戶態(tài)進(jìn)程的啟動(dòng)概況。從上圖中，我們可以把啟動(dòng)的進(jìn)程分為以下幾類：

● UHDF類系統(tǒng)進(jìn)程UHDF類系統(tǒng)進(jìn)程為系統(tǒng)提供HDI接口，這類進(jìn)程為系統(tǒng)服務(wù)提供芯片無關(guān)的硬件訪問接口。這類進(jìn)程都通過hdf_devmgr管理。

● SA類系統(tǒng)進(jìn)程SA是OpenHarmony的基礎(chǔ)系統(tǒng)元能力，每個(gè)SA是一個(gè)獨(dú)立的so，根據(jù)配置一個(gè)或多個(gè)SA可以部署到同一個(gè)進(jìn)程中，我們稱這類進(jìn)程為SA類系統(tǒng)服務(wù)。每個(gè)SA類系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程都是通過sa_main進(jìn)程解析配置文件啟動(dòng)，向sa_mgr服務(wù)注冊支持的SA；訪問SA服務(wù)時(shí)需要先根據(jù)SA的ID向sa_mgr獲取該SA的句柄。

● Linux原生系統(tǒng)服務(wù)OpenHarmony除了支持SA類和UHDF類系統(tǒng)進(jìn)程外，也支持啟動(dòng)Linux原生的系統(tǒng)進(jìn)程。通過Linux原生系統(tǒng)服務(wù)可以快速使用Linux社區(qū)已有的成熟能力。

● 應(yīng)用進(jìn)程每個(gè)應(yīng)用進(jìn)程都是從appspawn孵化而來，appspawn預(yù)加載了應(yīng)用運(yùn)行時(shí)需要的資源，主要是ArkUI相關(guān)的依賴庫。

init拉起每個(gè)進(jìn)程的方式都是通過配置文件來完成，其格式都是如下所示的JSON格式；每個(gè)進(jìn)程的配置文件安裝到/system/etc/init或/vendor/etc/init目錄下，init會(huì)掃描這些配置，按照配置拉起對應(yīng)的進(jìn)程。下面我們將結(jié)合qemu最小系統(tǒng)來介紹下init的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

{   "services" : [{           "name" : "watchdog_service",           "start-mode" : "condition",           "path" : ["/system/bin/watchdog_service", "10", "2"],           "disabled" : 1,           "sandbox" : 0,           "uid" : "watchdog",           "gid" : ["watchdog", "log", "readproc"],           "secon" : "uwatchdog_service:s0"      }  ]}

2. 基于qemu的最小系統(tǒng)

2.1 Why qemu

硬件設(shè)備開發(fā)人員在開發(fā)工作中，需要使用到各種各樣的開發(fā)板。每個(gè)開發(fā)板的連接線纜、接線方式、升級燒寫方式各不相同，且上手門檻高；開發(fā)時(shí)的便攜性和調(diào)試效率等都比較低。特別是init相關(guān)的開發(fā)調(diào)試，修改后還需要整機(jī)燒寫。為了能像應(yīng)用開發(fā)者一樣，可以隨時(shí)隨地，相對高效且“體面”地開發(fā)底層系統(tǒng)服務(wù)。于是，構(gòu)建了基于qemu的OpenHarmony最小系統(tǒng)，希望能讓硬件設(shè)備開發(fā)人員只需一臺(tái)筆記本就可以隨時(shí)開發(fā)調(diào)試底層系統(tǒng)服務(wù)。

2.2 關(guān)于qemu-arm-linux-min

OpenHarmony的qemu最小系統(tǒng)名稱是qemu-arm-linux-min。從名稱可以看出，它是用qemu模擬的ARM32位運(yùn)行平臺(tái)，使用Linux內(nèi)核運(yùn)行的OpenHarmony最小系統(tǒng)部件集合。其部件集合的定義在vendor/ohemu/qemu_arm_linux_min/config.json里，包含約20個(gè)部件，主要是系統(tǒng)基礎(chǔ)的啟動(dòng)、DFX、安全、samgr、軟總線相關(guān)的部件。

編譯命令只需要指定qemu-arm-linux-min產(chǎn)品名即可，運(yùn)行也只需要一個(gè)qemu-run.sh命令。詳細(xì)的信息可以跳轉(zhuǎn)到文末的device/qemu/arm_virt虛擬平臺(tái)的文檔。

qemu-arm-linux-min的優(yōu)勢：

● 代碼倉少，只需要96個(gè)倉代碼（-g ohos:chipset -m chipsets/qemu.xml），詳細(xì)說明參考https://gitee.com/openharmony/manifest。

● 編譯快：只需要編譯5000個(gè)文件（完整系統(tǒng)需3萬個(gè)）。

● 免燒寫：qemu-run.sh直接運(yùn)行。

因此，開發(fā)者僅需一臺(tái)筆記本，就可以隨時(shí)隨地寫代碼，輕松為OpenHarmony做貢獻(xiàn)。

2.3 DEMO TIME

了解qemu-arm-linux-min介紹后，Handy老師為我們介紹了如何使用它。

arm_virt網(wǎng)頁上已經(jīng)比較詳細(xì)地介紹了運(yùn)行虛擬機(jī)的準(zhǔn)備工作了。前面編譯環(huán)境準(zhǔn)備以及下載代碼的都是通用的，編譯命令前面也說明了，只需要指定qemu-arm-linux-min即可。運(yùn)行前，需要先安裝qemu，請下載5.2以上版本的qemu，并對源碼進(jìn)行編譯。

qemu-run.sh運(yùn)行腳本有兩個(gè)運(yùn)行模式，普通模式直接啟動(dòng)，虛擬機(jī)只有虛擬磁盤，沒有網(wǎng)絡(luò)。-n選項(xiàng)可以創(chuàng)建虛擬網(wǎng)橋，使得虛擬機(jī)和主機(jī)之間可以通過網(wǎng)絡(luò)通信，使用hdc等命令。下面我們演示如何使用qemu-arm-linux-min進(jìn)行g(shù)db調(diào)試。

調(diào)試環(huán)境如下圖所示：主機(jī)上通過qemu-run.sh創(chuàng)建了虛擬網(wǎng)橋，用于與虛擬機(jī)通信。同時(shí)，為了在虛擬機(jī)上訪問源碼進(jìn)行g(shù)db調(diào)試，在主機(jī)上啟動(dòng)了smbd服務(wù)。虛擬機(jī)的內(nèi)核默認(rèn)開啟了cifs模塊，可以掛載主機(jī)上的smb共享目錄。

● 使能虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口：

# 使能虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口ifconfig eth0 192.168.100.2# 測試與主機(jī)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)連接ping192.168.100.1-t4

● 在虛擬機(jī)掛載主機(jī)的samba共享目錄：

# 創(chuàng)建掛載點(diǎn)mkdir /mnt/smb# 掛載cifs文件系統(tǒng)mount -t cifs -o username=xxx,password=xxx,vers=2.1      //192.168.100.1/handy /mnt/smb# 可選建立hdc連接hdc_stdtconn192.168.100.2:5555

● 使用gdb：

# gdb在主機(jī)samba服務(wù)器的tools目錄# 調(diào)試代碼在主機(jī)samba服務(wù)器的ohos目錄
# 運(yùn)行調(diào)試程序/mnt/smb/tools/gdb /mnt/smb/ohos/out/qemu-arm-linux/exe.unstripped/startup/init/gdbtest
# 關(guān)聯(lián)源碼目錄directory /mnt/smb/ohos/out/qemu-arm-linux
#其它命令：r, bt

arm版的gdb可以從以下網(wǎng)站獲?。?/p>

https://github.com/therealsaumil/static-arm-bins/（需解決網(wǎng)絡(luò)問題）

https://gitee.com/stesen/ohos_cross_tools

3. init進(jìn)程的設(shè)計(jì)理念

3.1 init進(jìn)程的模塊劃分

通過前文的介紹，可以知道init進(jìn)程是系統(tǒng)從內(nèi)核態(tài)向用戶態(tài)引導(dǎo)的核心進(jìn)程；該進(jìn)程是所有用戶態(tài)進(jìn)程的父進(jìn)程。

init的模塊劃分如上圖所示，啟動(dòng)過程大體分為第一階段和第二階段。第一階段用于創(chuàng)建基礎(chǔ)的根文件系統(tǒng)，包括procfs、sysfs、dev設(shè)備節(jié)點(diǎn)、tmpfs等。第二階段提供了系統(tǒng)參數(shù)服務(wù)，服務(wù)腳本解析能力；然后就進(jìn)入了腳本配置啟動(dòng)的過程。

具體配置參考《init啟動(dòng)引導(dǎo)組件》（https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/zh-cn/device-dev/subsystems/subsys-boot-init.md）。

這里很重要的部分是init里提供了模塊化引擎，提供了擴(kuò)展模塊開發(fā)的對外API，可以在不改變init框架的基礎(chǔ)上擴(kuò)展init各個(gè)模塊的功能。例如可以擴(kuò)展腳本配置的命令，擴(kuò)展服務(wù)管理功能，在腳本運(yùn)行前擴(kuò)展鉤子執(zhí)行等。

3.2 init進(jìn)程的啟動(dòng)順序與擴(kuò)展機(jī)制說明

上圖是init進(jìn)程啟動(dòng)的詳細(xì)過程，主要分為三個(gè)部分：

● 第一階段如前面描述，完成基礎(chǔ)根文件系統(tǒng)的構(gòu)建。

● 第二大部分提供了系統(tǒng)參數(shù)服務(wù)，并且完成了配置腳本的掃描與解析。

● 第三大部分進(jìn)入了腳本化運(yùn)行的階段。

第一部分邏輯固定，不提供擴(kuò)展；第二部分都是native代碼，可以通過開發(fā)擴(kuò)展模塊向紅色擴(kuò)展點(diǎn)注冊鉤子函數(shù)來擴(kuò)展功能。第三部分通過配置腳本進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)系統(tǒng)服務(wù)都可以編寫各自的配置文件在指定階段完成相應(yīng)功能。

3.3 init腳本化啟動(dòng)過程說明

腳本化啟動(dòng)過程大體可以分為三個(gè)階段：

● pre-init完成腳本化早期工作，包括ueventd、data分區(qū)掛載等。

● init階段完成samgr和hdf_devmgr的啟動(dòng)，這兩個(gè)進(jìn)程是各個(gè)SA進(jìn)程以及HDI服務(wù)進(jìn)程的管理中心，公共依賴需提前啟動(dòng)。

● post-init階段是各個(gè)子系統(tǒng)服務(wù)啟動(dòng)的階段。為了保障整機(jī)開機(jī)啟動(dòng)速度，這個(gè)階段各個(gè)服務(wù)都是并行啟動(dòng)的，服務(wù)之間如果有依賴關(guān)系，需要進(jìn)行運(yùn)行時(shí)同步設(shè)計(jì)。init提供了系統(tǒng)參數(shù)服務(wù)，可以提供wait和watch機(jī)制，輔助各個(gè)服務(wù)進(jìn)行同步。

4. init擴(kuò)展模塊開發(fā)示例

init擴(kuò)展模塊代碼都放在base/startup/init_lite/services/modules目錄下，代碼引用API頭文件定義及插件代碼入口：

#include "init_module_engine.h"
MODULE_CONSTRUCTOR(void){   // 加載插件代碼入口，dlopen此插件庫時(shí)自動(dòng)執(zhí)行}
MODULE_DESTRUCTOR(void){   // 卸載插件代碼入口，dlclose此插件庫時(shí)自動(dòng)執(zhí)行}

BUILD.gn編譯腳本依賴及插件安裝目錄：

ohos_shared_library("libinit_example_module") { ... external_deps = [ "init:libinit_module_engine" ] module_install_dir = "lib/init/" ...}

OpenHarmony期待你的加入，與Handy老師一起，深入理解OpenHarmony系統(tǒng)啟動(dòng)，提PR，輕松踏上設(shè)備軟件開發(fā)之旅，成為貢獻(xiàn)達(dá)人，為OpenHarmony生態(tài)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

附錄：

啟動(dòng)恢復(fù)子系統(tǒng)概述：

https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/zh-cn/device-dev/subsystems/subsys-boot-overview.md

qemu ARM Virt 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)教程：

https://gitee.com/openharmony/device_qemu/tree/master/arm_virt/linux

qemu-arm-linux-min代碼倉說明：

https://gitee.com/openharmony/manifest

qemu ARM Virt 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)教程：

https://gitee.com/openharmony/device_qemu/tree/master/arm_virt/linux

Arm版的gdb可以從以下網(wǎng)站獲?。?/p>

https://github.com/therealsaumil/static-arm-bins/

https://gitee.com/stesen/ohos_cross_tools

init啟動(dòng)引導(dǎo)組件：

https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/zh-cn/device-dev/subsystems/subsys-boot-init.md

審核編輯 ：李倩