Android 启动加载器分析 —— ABL(3)

ABL, Android, Bootloader, Linux, 中文 Comments

我的前一篇文章《Android 启动加载器分析 —— ABL(1)》中分析了当代高通平台的 ABL 的整体启动流程，《Android 启动加载器分析 —— ABL(2)》对如何启动至 fastboot 模式进行详细的解释。本文将对 ABL 中启动至 Linux 内核的代码进行分析。

启动 Linux 内核的条件

若不是在启动至 fastboot 模式下、并且没有在启动时按下组合按键时，ABL 通过 LoadImageAndAuth (&Info) 加载并验证内核（如果未解锁），并调用 BootLinux (&Info) 来启动加载的内核，如果启动失败，则 fall-through 到 fastboot 模式。其中 Info 为一个 BootInfo 类型，定义如下：

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typedef struct BootInfo {
  BOOLEAN MultiSlotBoot;
  BOOLEAN BootIntoRecovery;
  BOOLEAN BootReasonAlarm;
  CHAR16 Pname[MAX_GPT_NAME_SIZE];
  CHAR16 BootableSlot[MAX_GPT_NAME_SIZE];
  ImageData Images[MAX_NUMBER_OF_LOADED_IMAGES];
  UINTN NumLoadedImages;
  QCOM_VERIFIEDBOOT_PROTOCOL *VbIntf;
  boot_state_t BootState;
  CHAR8 *VBCmdLine;
  UINT32 VBCmdLineLen;
  UINT32 VBCmdLineFilledLen;
  VOID *VBData;
  UINT32 HeaderVersion;
} BootInfo;

其中 ImageData 结构为加载进来的启动镜像，定义如下：

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typedef struct {
  CHAR8 *Name;
  VOID *ImageBuffer;
  UINTN ImageSize;
} ImageData;

在加载和验证 Linux 内核时，镜像会先被加载到这里，之后在启动时，也是使用这里的镜像之一。

Linux 内核的验证与加载

验证与加载的函数 LoadImageAndAuth (BootInfo *Info) 的实现位于 QcomModulePkg/Library/avb/VerifiedBoot.c 中。这里 avb 的全称即为 Android Verified Boot。

这个函数首先尝试从 recovery 分区加载镜像，检测是否加载成功、以及是否有一个合法的启动镜像版本（要求第三版以上，为 system-as-root 所用的）和 kernel 大小：

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/* check early if recovery exists and has a kernel size */
Status = LoadPartitionImageHeader (Info, (CHAR16 *)L"recovery", &RecoveryHdr,
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if (Status != EFI_SUCCESS) {
DEBUG ((EFI_D_VERBOSE,
      "Recovery partition doesn't exist; continue normal boot\n"));
} else if (((boot_img_hdr *)(RecoveryHdr))->header_version >=
            BOOT_HEADER_VERSION_THREE &&
            !((boot_img_hdr *)(RecoveryHdr))->kernel_size) {
DEBUG ((EFI_D_VERBOSE, "Recovery partition has no kernel\n"));
SetRecoveryHasNoKernel ();
}

若 recovery 分区没有一个合法的 kernel，则通过 SetRecoveryHasNoKernel () 设置 RecoveryHasNoKernel 全局标识以供之后使用。

接下来有两种情况，分别用来处理 A/B 分区存在与只存在单一分区的情况。

在单一分区情况下，也可能存在 system-as-root 的情况，即 recovery 模式和正常启动共用内核、但挂载不同的分区作为 sysroot。因此，以下代码设置启动用分区名称为 recovery 或 boot：

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if (Info->BootIntoRecovery &&
      !IsRecoveryHasNoKernel ()) {
      DEBUG ((EFI_D_INFO, "Booting Into Recovery Mode\n"));
      StrnCpyS (Info->Pname, ARRAY_SIZE (Info->Pname), L"recovery",
            StrLen (L"recovery"));
} else {
      if (Info->BootIntoRecovery &&
            IsRecoveryHasNoKernel ()) {
            DEBUG ((EFI_D_INFO, "Booting into Recovery Mode via Boot\n"));
      } else {
            DEBUG ((EFI_D_INFO, "Booting Into Mission Mode\n"));
      }
      StrnCpyS (Info->Pname, ARRAY_SIZE (Info->Pname), L"boot",
                  StrLen (L"boot"));
}

而 A/B 分区情况稍微复杂一些。首先 ABL 会寻找可启动的 slot（即为一套分区），将其存入 CurrentSlot 结构体中，定义如下：

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typedef struct {
  CHAR16 Suffix[MAX_SLOT_SUFFIX_SZ];
} Slot;

这个结构体定义了分区的后缀。实际上，多个 slot 的实现正是通过分区名称加上一个后缀实现的，比如 boot_a 和 boot_b 为两个 slot 的启动分区。这个后缀由 FindBootableSlot 来获取。接下来的流程就和单一分区的类似。

获取到要使用的启动分区之后，就要开始对该分区的镜像的验证。镜像的验证是平台相关的，通过调用 GetAVBVersion () 取得版本，目前存在 NO_AVB、AVB_1、AVB_2 和 AVB_LE，分别用对应的函数调用来加载镜像和验证。

以无 AVB 验证为例，它直接使用 LoadImageNoAuth 加载镜像，在这个函数里 LoadImageHeader (Info->Pname, &ImageHdrBuffer, &ImageHdrSize) 被调用来把镜像加载到 buffer 中。在此期间，相应的 device tree 和命令行参数也被加载和设置。

最后就在屏幕上显示验证状态 DisplayVerifiedBootScreen (Info) 并返回镜像验证状态。

启动 Linux 内核

首先加载启动镜像：

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Status = GetImage (Info,
      &BootParamlistPtr.ImageBuffer,
      (UINTN *)&BootParamlistPtr.ImageSize,
      ((!Info->MultiSlotBoot ||
      IsDynamicPartitionSupport ()) &&
      (Recovery &&
      !IsBuildUseRecoveryAsBoot () &&
      !IsRecoveryHasNoKernel ()))?
      "recovery" : "boot");

更新启动内核用的命令行参数，获取加载的基址、加载内存盘。

之后关闭 UEFI 启动服务为启动 Linux 内核做准备，并在 PreparePlatformHardware 中取消一些设备的之前完成的初始化和配置，比如禁用中断、禁用缓存、禁用 MMU、禁用分支预测等：

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ArmDisableBranchPrediction ();

ArmDisableInterrupts ();
ArmDisableAsynchronousAbort ();

WriteBackInvalidateDataCacheRange (KernelLoadAddr, KernelSizeActual);
WriteBackInvalidateDataCacheRange (RamdiskLoadAddr, RamdiskSizeActual);
WriteBackInvalidateDataCacheRange (DeviceTreeLoadAddr, DeviceTreeSizeActual);
WriteBackInvalidateDataCacheRange ((void *)StackCurrent,
            (UINTN)StackBase - (UINTN)StackCurrent);
WriteBackInvalidateDataCacheRange (CallerStackCurrent,
            CallerStackBase - (UINTN)CallerStackCurrent);

ArmCleanDataCache ();
ArmInvalidateInstructionCache ();

ArmDisableDataCache ();
ArmDisableInstructionCache ();
ArmDisableMmu ();
ArmInvalidateTlb ();

最后，加载并调用 Linux 内核：

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LinuxKernel = (LINUX_KERNEL) (UINT64)BootParamlistPtr.KernelLoadAddr;
LinuxKernel ((UINT64)BootParamlistPtr.DeviceTreeLoadAddr, 0, 0, 0);

对 32 位内核，则为：

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LinuxKernel32 = (LINUX_KERNEL32) (UINT64)BootParamlistPtr.KernelLoadAddr;
LinuxKernel32 (0, 0, (UINTN)BootParamlistPtr.DeviceTreeLoadAddr);

但在 32 位内核启动前，需要切换到 32 bit 的启动模式：

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Status = SwitchTo32bitModeBooting (
      (UINT64)BootParamlistPtr.KernelLoadAddr,
      (UINT64)BootParamlistPtr.DeviceTreeLoadAddr);

具体实现为写入 0 到 EL1 环境下的 X4 寄存器：

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HlosBootArgs.el1_x2 = DeviceTreeLoadAddr;
/* Write 0 into el1_x4 to switch to 32bit mode */
HlosBootArgs.el1_x4 = 0;
HlosBootArgs.el1_elr = KernelLoadAddr;
Status = pQcomScmModeSwitchProtocol->SwitchTo32bitMode (HlosBootArgs);

如果启动失败，则进入 CpuDeadLoop()。

总结

本文分析总结了 ABL 正常启动 Linux 时的代码与流程。

InokiComputer Scientist

Ph.D in Computer Science, major in Embedded System and AI.