OpenHarmony—子系统开发之内核概述

内核简介

用户最常见到并与之交互的操作系统界面，其实只是操作系统最外面的一层。操作系统最重要的任务，包括管理硬件设备，分配系统资源等，我们称之为操作系统内在最重要的核心功能。而实现这些核心功能的操作系统模块，业界一般称之为操作系统“内核”。

实现原理

操作系统是位于应用和硬件之间的系统软件，向上提供易用的程序接口和运行环境，向下管理硬件资源。内核位于操作系统的下层，为操作系统上层的程序框架提供硬件资源的并发管理。

图1 操作系统架构

多内核架构和基本组成

业界的内核有很多，但无论是什么内核，基本上有几个最重要的组成单元是每个内核均要具备的，分别是：

• 负责持久化数据，并让应用程序能够方便的访问持久化数据的“文件系统”。
• 负责管理进程地址空间的“内存管理”。
• 负责管理多个进程的“进程管理”或者“任务管理“。
• 负责本机操作系统和另外一个设备上操作系统通信的“网络”。

OpenHarmony采用了多内核结构，支持Linux和LiteOS，开发者可按不同产品规格进行选择使用。linux和LiteOS均具备上述组成单元，只是实现方式有所不同。多个内核通过KAL（Kernel Abstraction Layer）模块，向上提供统一的标准接口。

内核子系统位于OpenHarmony下层。需要特别注意的是，由于OpenHarmony面向多种设备类型，这些设备有着不同的CPU能力，存储大小等。为了更好的适配这些不同的设备类型，内核子系统支持针对不同资源等级的设备选用适合的OS内核，内核抽象层（KAL，Kernel Abstract Layer）通过屏蔽内核间差异，对上层提供基础的内核能力。

图2 OpenHarmony架构图

不同内核适配的系统及设备类型

OpenHarmony按照支持的设备可分为如下几种系统类型：

• 轻量系统（mini system） 面向MCU类处理器例如Arm Cortex-M、RISC-V 32位的设备，硬件资源极其有限，支持的设备最小内存为128KiB，可以提供多种轻量级网络协议，轻量级的图形框架，以及丰富的IOT总线读写部件等。可支撑的产品如智能家居领域的连接类模组、传感器设备、穿戴类设备等。
• 小型系统（small system） 面向应用处理器例如Arm Cortex-A的设备，支持的设备最小内存为1MiB，可以提供更高的安全能力、标准的图形框架、视频编解码的多媒体能力。可支撑的产品如智能家居领域的IP Camera、电子猫眼、路由器以及智慧出行域的行车记录仪等。
• 标准系统（standard system） 面向应用处理器例如Arm Cortex-A的设备，支持的设备最小内存为128MiB，可以提供增强的交互能力、3D GPU以及硬件合成能力、更多控件以及动效更丰富的图形能力、完整的应用框架。可支撑的产品如高端的冰箱显示屏。

OpenHarmony针对不同量级的系统，使用了不同形态的内核。轻量系统、小型系统可以选用LiteOS；小型系统和标准系统可以选用Linux。其对应关系如下表：

表1 系统关系对应表

LiteOS-M

内核架构

OpenHarmony LiteOS-M内核是面向IoT领域构建的轻量级物联网操作系统内核，具有小体积、低功耗、高性能的特点，其代码结构简单，主要包括内核最小功能集、内核抽象层、可选组件以及工程目录等，分为硬件相关层以及硬件无关层，硬件相关层提供统一的HAL（Hardware Abstraction Layer）接口，提升硬件易适配性，不同编译工具链和芯片架构的组合分类，满足AIoT类型丰富的硬件和编译工具链的拓展。

图3 LiteOS-M架构图

LiteOS-A

内核架构

OpenHarmony 轻量级内核是基于IoT领域轻量级物联网操作系统Huawei LiteOS内核演进发展的新一代内核，包含LiteOS-M和LiteOS-A两类内核。LiteOS-M内核主要应用于轻量系统，面向的MCU（Microprocessor Unit）一般是百K级内存，可支持MPU（Memory Protection Unit）隔离，业界类似的内核有FreeRTOS或ThreadX等；LiteOS-A内核主要应用于小型系统，面向设备一般是M级内存，可支持MMU（Memory Management Unit）隔离，业界类似的内核有Zircon或Darwin等。

为适应IoT产业的高速发展，OpenHarmony 轻量级内核不断优化和扩展，能够带给开发者友好的开发体验和统一开放的生态系统能力。轻量级内核LiteOS-A重要的新特性如下：

• 新增了丰富的内核机制：
  • 新增虚拟内存、系统调用、多核、轻量级IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）、DAC（Discretionary Access Control，自主访问控制）等机制，丰富了内核能力；
  • 为了更好的兼容软件和开发者体验，新增支持多进程，使得应用之间内存隔离、相互不影响，提升系统的健壮性。
• 引入统一驱动框架HDF（Hardware Driver Foundation）
• 引入统一驱动框架HDF，统一驱动标准，为设备厂商提供了更统一的接入方式，使驱动更加容易移植，力求做到一次开发，多系统部署。
• 支持1200+标准POSIX接口
• 更加全面的支持POSIX标准接口，使得应用软件易于开发和移植，给应用开发者提供了更友好的开发体验。
• 内核和硬件高解耦
• 轻量级内核与硬件高度解耦，新增单板，内核代码不用修改。

图4 OpenHarmony LiteOS-A内核架构图

Linux

linux内核概述

OpenHarmony的Linux内核基于开源Linux内核LTS 4.19.y / 5.10.y 分支演进，在此基线基础上，回合CVE补丁及OpenHarmony特性，作为OpenHarmony Common Kernel基线。针对不同的芯片，各厂商合入对应的板级驱动补丁，完成对OpenHarmony的基线适配。

内核的Patch组成模块，在编译构建流程中，针对具体芯片平台，合入对应的架构驱动代码，进行编译对应的内核镜像。所有补丁来源均遵守GPL-2.0协议。

内核增强特性

OpenHarmony针对linux内核在ESwap(Enhanced Swap)、关联线程组调度和CPU轻量级隔离做了增强。

Enhanced SWAP特性

ESwap提供了自定义新增存储分区作为内存交换分区的能力，并创建了一个常驻进程zswapd将ZRAM压缩后的匿名页加密换出到ESwap存储分区，从而能完全的空出一块可用内存，以此来达到维持Memavailable水线的目标。同时，配合这个回收机制，在整个内存框架上进行改进，优化匿名页和文件页的回收效率，并且使两者的回收比例更加合理以避免过度回收导致的refault问题造成卡顿现象。

关联线程组调度

关联线程组(related thread group)提供了对一组关键线程调度优化的能力，支持对关键线程组单独进行负载统计和预测，并且设置优选CPU cluster功能，从而达到为组内线程选择最优CPU运行并且根据分组负载选择合适的CPU调频点运行。

CPU轻量级隔离

CPU轻量级隔离特性提供了根据系统负载和用户配置来选择合适的CPU进行动态隔离的能力。内核会将被隔离CPU上的任务和中断迁移到其他合适的CPU上执行，被隔离的CPU会进入ilde状态，以此来达到功耗优化的目标。同时提供用户态的配置和查询接口来实现更好的系统调优。

使用指导

1. 合入HDF补丁 在kernel/linux/build仓中，按照kernel.mk中HDF的补丁合入方法，合入不同内核版本对应的HDF内核补丁：

   $(OHOS_BUILD_HOME)/drivers/hdf_core/adapter/khdf/linux/patch_hdf.sh $(OHOS_BUILD_HOME) $(KERNEL_SRC_TMP_PATH) $(KERNEL_PATCH_PATH) $(DEVICE_NAME)
   

   2.合入芯片平台驱动补丁 以Hi3516DV300为例：

   在kernel/linux/build仓中，按照kernel.mk中的芯片组件所对应的patch路径规则及命名规则，将对应的芯片组件patch放到对应路径下：

   DEVICE_PATCH_DIR := $(OHOS_BUILD_HOME)/kernel/linux/patches/${KERNEL_VERSION}/$(DEVICE_NAME)_patch
   DEVICE_PATCH_FILE := $(DEVICE_PATCH_DIR)/$(DEVICE_NAME).patch
   

   3.修改自己所需要编译的config 在kernel/linux/build仓中，按照kernel.mk中的芯片组件所对应的patch路径规则及命名规则，将对应的芯片组件config放到对应路径下：

   KERNEL_CONFIG_PATH := $(OHOS_BUILD_HOME)/kernel/linux/config/${KERNEL_VERSION}DEFCONFIG_FILE := $(DEVICE_NAME)_$(BUILD_TYPE)_defconfig
   

   须知：?由于OpenHarmony工程的编译构建流程中会拷贝kernel/linux/linux-*.*的代码环境后进行打补丁动作，在使用OpenHarmony的版本级编译命令前，需要kernel/linux/linux-*.*原代码环境。

   根据不同系统工程，编译完成后会在out目录下的kernel目录中生成对应实际编译的内核，基于此目录的内核，进行对应的config修改，将最后生成的.config文件cp到config仓对应的路径文件里，即可生效。

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其次就是考虑到市场上还没有系统性的学习资料，同时我也整理了一份《鸿蒙 (Harmony OS)开发学习手册》特意整理成PDF文档方式，分享给大家参考学习，大家可以根据自身情况进行获取：《鸿蒙开发学习指南》

《鸿蒙 (Harmony OS)开发学习手册》

一、入门必看

1. 应用开发导读(ArkTS)

2. 应用开发导读(Java)

3.......

二、HarmonyOS 概念

1. 系统定义

2. 技术架构

3. 技术特性

4. 系统安全

5......

三、如何快速入门？《鸿蒙基础入门开发宝典！》

1. 基本概念

2. 构建第一个ArkTS应用

3. 构建第一个JS应用

4. ……

四、开发基础知识

1. 应用基础知识

2. 配置文件

3. 应用数据管理

4. 应用安全管理

5. 应用隐私保护

6. 三方应用调用管控机制

7. 资源分类与访问

8. 学习ArkTS语言

9. ……

五、基于ArkTS 开发

1. Ability开发

2. UI开发

3. 公共事件与通知

4. 窗口管理

5. 媒体

6. 安全

7. 网络与链接

8. 电话服务

9. 数据管理

10. 后台任务(Background Task)管理

11. 设备管理

12. 设备使用信息统计

13. DFX

14. 国际化开发

15. 折叠屏系列

16. ……

更多了解更多鸿蒙开发的相关知识可以参考：《做鸿蒙应用开发到底学习些啥？》