安卓启动与镜像刷机-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了安卓启动与镜像刷机。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

Android Boot Loader

简称ABL,是Android设备的第一阶段引导程序。它的主要作用是:

初始化硬件设备,设置内存等
加载并校验Android Boot Image(boot.img)
传递控制权给boot.img继续下一阶段的引导

ABL由设备厂商提供,需要适配具体的硬件平台。它使用专用的二进制格式,而不是标准的elf格式。
关于这几个概念,我们可以总结如下:

elf格式:一种常见的二进制可执行文件格式,定义了文件内容和布局。gcc编译的程序默认使用此格式。
Android Boot Loader(ABL):Android设备的第一阶段引导程序,由设备厂商提供,用于初始化硬件和加载boot.img。使用专有的二进制格式,而不是elf。
boot.img:Android的第二阶段引导程序,包含Linux内核和ramdisk。ABL将其加载并执行,引导进入Linux系统。
gcc:Linux下常用的编译器,生成的可执行程序默认为elf格式。
所以,elf格式定义了标准的二进制文件布局和执行信息;ABL作为 Android启动的第一步,使用专有格式执行硬件初始化和加载boot.img;boot.img然后引导Linux系统启动;gcc生成的程序为elf格式。

ABL代码示例(伪代码):

c
void abl_start(void)
{
    /* Initialize hardware */
    init_mem();
    init_devices();
    
    /* Load and verify boot.img */
    bootimg = read_boot_partition();
    if(!verify_bootimg(bootimg)) {
        error();
    }
    
    /* Boot into boot.img */
    jump_to_kernel(bootimg->kernel_addr, bootimg->ramdisk_addr, 
                   bootimg->kernel_cmdline);
}
├── boot.img
│   ├── kernel (Linux内核) 
│   ├── ramdisk (用于根文件系统)
│   ├── kernel_cmdline (内核启动参数)
│   ├── recovery_dtbo (Recovery设备树覆盖) 
│   └── header 
│       ├── kernel_size   
│       ├── kernel_addr    
│       ├── ramdisk_size
│       ├── ramdisk_addr
│       ├── second_size
│       ├── second_addr
│       ├── tags_addr
│       └── page_size

机器首先要启动，CPU 最先执行的一段程序就是 BootLoader，这和电脑上的BIOS是一个玩意儿。BootLoader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。比如在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

BootLoader既然要做硬件初始化之类的，必然和硬件相关，所以它的代码并非通用的，不同的硬件需要不同的BootLoader代码，各大厂商可能都有自己的，并且加入开机画面之类的。最常听说的是uboot。我们常说的刷机，是不会动bootloader的，只会动这之后的系统部分。

BootLoader的主要功能是:

初始化硬件设备 - 初始化CPU、内存控制器、时钟等硬件设备。
加载操作系统内核 - 从存储设备(硬盘、NAND Flash等)读取操作系统内核并加载到内存。
转交控制权给内核 - 将控制权转交给操作系统内核,BootLoader的工作至此完成。

所以,简而言之,BootLoader是连接系统上电与操作系统内核启动之间的重要一环。它屏蔽了底层硬件差异,为操作系统提供统一的加载入口。
BootLoader通常存放在以下几种地方:

ROM - 集成在主板上的ROM芯片中,内容无法修改。
Flash - 独立的非易失性Flash芯片中,内容可以通过烧写程序更新。
硬盘分区 - 保存在硬盘的特定分区中,内容可以通过工具更新

fastboot:

fastboot，它是bootloader后期进入的一个特殊阶段。可以通过数据线与电脑连接，然后在电脑上执行一些命令，刷系统镜像到手机上。fastboot可以理解为实现了一个简单的通信协议，接收命令并更新镜像文件，其他什么的干不了。
须有一个PC机并且USB线要始终联着。所以这种方式称为线刷。
fastboot需要bootloader的支持，所以不是每家手机都会支持这种模式。

recovery:

如果没有进入fastboot，bootloader继续执行，如果又发现有特殊的按键组合，比如htc g2上是home键和开机键，则会进入recovery模式。分析recovery.img镜像文件就会发现，它里面包含了一个kernel以及一个可执行程序recovery，以及一些初始化文件。从某种意义来说，这就是一个小型操作系统，和正常启动进入的系统的kernel是一样的，只是init及之后干的事情不同。
这里的kernel和我们常说的linux内核还是有差异的，linux内核是包括kernel以及调度器内存管理等，除了显示界面外的完整系统。而kernel只是指内核init进程启动前的那一段逻辑。
在recovery模式下，会加载了部分文件系统，所以才可以读sdcard中的update.zip进行刷机，当然，也可以清除cache和用户数据。
Recovery恢复时，刷机包通常放在SD卡里，所以这里刷机一般称为卡刷。

安卓系统的镜像文件

abl.elf:
Android Boot Loader,第一阶段的引导程序。用于初始化设备并加载Bootloader。是一个可执行文件，包含启动相关的代码，通常由芯片厂商提供，用于加载 Bootloader。
boot.img:
Boot Image,第二阶段的引导程序。包含Kernel和Ramdisk,用于加载Linux内核并挂载系统分区。负责启动 Android 系统的核心部分.
dtbo.img:
Device Tree Blob Overlay Image。包含设备树覆盖数据,提供对原设备树的修补和定制。
设备树和其他硬件相关的二进制文件，通常与 Android 版本匹配；
metadata.img:
包含系统分区表和分区信息,用于引导过程中查找正确的分区。文件系统的元数据信息，用于指导 super.img 的创建和管理
persist.img:
用于存储系统设置等持久化数据的分区镜像。存储设备的数据和状态，包括 WiFi、蓝牙、屏幕亮度等信息，通常不会随着系统重置而被删除
super.img:
system_root分区镜像,包含操作系统根文件系统和内核。包含系统镜像（system）、供应商镜像（vendor）和产品镜像（product）等内容，以动态分区的形式组装成一个文件
userdata.img:
用于存储用户数据和应用数据的分区镜像。用户数据分区，包含用户安装的应用程序、配置信息、照片、音乐等个人数据；
vbmeta.img:
Verified Boot Metadata Image。包含设备的Verified Boot信息,用于启动验证过程。针对 Android 9 及以上版本，包含公钥，用于验证系统分区的完整性；
vbmeta_system.img:
system分区对应的Verified Boot Metadata Image。
vendor_boot.img:
厂商定制的引导镜像,包含硬件相关的内核和驱动。
包含 Android 系统所需的驱动程序和二进制文件，通常用于更新和修复系统。
所以,这些img文件主要用于Android系统的启动过程和分区组织。abl.elf、boot.img和vendor_boot.img参与系统引导;super.img和userdata.img分别提供操作系统和用户数据;persist.img存储设置;vbmeta.img和vbmeta_system.img用于启动验证。
理解这些img文件的作用有助于我们深入研究Android启动机制和文件系统布局。我们会继续深入分析这些组件及其在启动过程中的配合关系。

在AOSP系统中,/vendor分区用于存放设备厂商提供的二进制文件和资源。将可执行程序放入/vendor/bin目录需要遵循以下步骤:

添加程序到/vendor分区
先将编译好的程序二进制文件复制到/vendor分区下合适的位置,一般是/vendor/bin目录。
添加执行权限
程序文件需要有执行权限,我们可以通过以下命令为其添加:
bash
chmod 755 /path/to/vendor/bin/your_program
添加到/vendor/etc/init/hw/init.rc 文件
如果程序是一个系统服务,需要在init.rc文件中添加其启动脚本以在系统启动时启动。
例如:

service your_program /vendor/bin/your_program 
    class main 
    user system 
    group system

在Android.mk添加LOCAL_MODULE定义
如果程序由设备厂商编译得到,那么必须在编译流程的Android.mk中添加LOCAL_MODULE定义,以指定程序名和最终安装位置。
例如:

makefile
LOCAL_MODULE := your_program 
LOCAL_MODULE_PATH := $(TARGET_OUT_VENDOR)/bin

添加权限(可选)
如果程序需要访问系统权限或硬件资源,需要在/vendor/etc/permissions/* 文件下添加相应权限声明。
添加与初始化 (可选)
如果程序是一个系统服务,可能还需要添加初始化脚本文件在/vendor/etc/init/hw/下和Android init配置项。
重新编译系统映像
添加完程序和资源后,需要重新编译生成vendor.img和其它系统映像。烧录到设备上后即可使用添加的程序。
所以,将可执行程序添加到AOSP系统的/vendor/bin主要涉及添加必要的文件与权限,定义编译流程,以及完成初始化配置。理解这个过程有助于我们熟练定制AOSP的/vendor映像,在系统中集成第三方二进制程序和驱动。

根文件系统镜像通常会包含大部分系统所需要的二进制程序和文件,但不一定会包含所有的bin程序。这主要有以下几个原因:

空间限制
根文件系统的空间是有限的,不可能包含所有的程序,特别是第三方的应用程序。一般只会包含基本的系统工具和服务。
权限限制
一些程序需要访问系统低级权限或硬件资源,不适合直接在用户空间运行。这类程序通常作为系统服务在更低级别运行。
定制需求
某些bin程序可能由设备厂商自行开发和提供,更适合放在/vendor分区而不是根文件系统。
功能划分
基于功能和安全考虑,一些程序被划分到不同的分区运行,如/system分区的程序只能访问Java API等。
模块设计
为了实现模块化设计和更好维护,某些功能会被划分到不同的软件包中,这些软件包的程序文件也不会直接在根文件系统。
所以,根文件系统中通常只包含基本的系统工具和服务,而更高级和定制的功能会被划分到不同的分区和软件包中实现。这有助于实现权限隔离、模块化设计以及更好的系统维护。

安卓系统的分区

分区主要包括以下三种

通用Android分区
高通或其他硬件专有分区
定制ROM系统增加的专有分区

通用的Android分区包括:/boot /system /recovery /data /cache /misc

boot - 包含Linux内核、ramdisk和设备树,用于初始化系统。Linux嵌入式系统内核，这个分区上有Android的引导启动程序，包括内核和内存操作程序。没有这个分区设备就不能被引导。恢复系统的时候会擦除这个分区，并且必须重新安装引导程序和ROM才能重启系统，由boot.img烧录。包括.bootloader、内核、ramdisk根文件系统。负责挂载,LinuxKernel,负载system,cache,userdata等。
system - 包含系统应用和库,是Android系统核心部分。系统文件、应用，这个分区上是除了内核和内存操作之外的整个操作系统。里面包含了Android用户接口和预先安装的系统应用。擦除了这个分区就会删除掉Andorid系统，所以你需要进入recovery模式或者bootloader模式去安装一个新的ROM。
recovery - 包含恢复系统的镜像。系统故障时负责恢复，recovery分区被认为是另一个启动分区，你可以启动设备进入recovery控制台去执行高级的系统恢复和管理操作。
userdata - 存储用户数据,如应用数据、下载的文件等。用户使用APP产生的缓存数据，这个分区保存着用户数据。通讯录、短信、设置和你安装的apps都在这个分区上。擦除这个分区相当于恢复出厂设置，当你第一次启动设备的时候或者在安装了官方或者客户的ROM之后系统会自动重建这个分区。当你执行恢复出厂设置时，就是在擦除这个分区。
缓存/cache - 存储缓存数据,用于提高系统性能。系统运行时产生的缓存，这个分区是Android系统存储频繁访问的数据和app的地方。擦除这个分区不影响你的个人数据，当你继续使用设备时，被擦除的数据就会自动被创建，一般用来OTA升级进入recovery前,临时存放OTA包升级的存放文件。
persist - 持久数据分区，存储系统设置信息。
/misc：临时数据分区，这个分区包含各种复杂的类似于on/off的系统设置。这些设置可能是USB配置和某些硬件配置信息。这是一个重要的分区，如果该分区损坏或者丢失，设备的功能可能就工作不正常。
/sdcard：这个分区不是内部的存储区，而是SD card。这是你个人存储大文件的地方，存储多媒体文件、文档、ROM文件等等。如果你备份了这个分区上文件，那么擦除这个分区将会很安全。不过请注意一些用户安装的apps会存储数据和设置参数到SD card上，擦除这个分区会掉的这些数据。大小根据SD卡容量而定,可热插拔。。
/sd-ext：这个分区不是Android设备的标准分区，位于手机存储器上，但是在修改版的自定义ROM的情况下变得很流行。大小在刷机或首次启动时确定,不可热插拔。

而其他一些分区属于具体硬件专有分区,如:

abl - Qualcomm芯片引导加载程序分区。
hyp - Qualcomm hypervisorvisor分区。
dtbo - 设备树 Blob分区,某些高通平台专有。
vbmeta - 验证元数据分区,高通AVB实现专有。
super - ext4分区,一些高通平台使用。
vendor_boot - 第三方供应商boot镜像分区,高通AVB实现专有。
metadata - 不常见,某些高通平台使用,作用未详。

定制ROM系统增加的专有分区
定制ROM会在Android系统中新增一些专有分区,主要用于存储定制的数据与设置。常见的有:

META分区 - 用于存储ROM版本信息、ROM定制功能与设置等数据。该分区只能在该ROM下使用,升级其他ROM会格式化该分区。
CSC分区 - 用于存储ROM国家与carrier相关的个性化定制包。OTA更新会保留该分区数据。
USERDATA分区 - 用于存储用户数据与应用数据。OTA升级会保留该分区数据。
CACHE分区 - 用于存储更新包、居 Evolution X 系统更新数据以实现无缝更新。OTA升级会格式化该分区。
PERSIST分区 - 用于永久存储ROM与device相关的设置。OTA升级会保留该分区数据。

所以,这些专有分区主要用于:

存储ROM自身的版本、定制与个性化数据。
存储用户数据与设置,可保留避免数据丢失。
辅助ROM更新与功能实现。
提供ROM专有的存储空间。
定制ROM会根据自身的功能与需求,选择性地增加适当的分区。并非每款ROM都会增加所有的这些分区,部分定制ROM甚至不增加任何专有分区。
这需要基于该ROM的设计与用途进行判断。

在Android系统中,大多数重要分区都会设置主备分区,用于实现备份与恢复的功能。

Android通常设置主备分区的分区有:

boot - 包含内核与ramdisk,设置为boot_a和boot_b。
system - 包含系统应用与库,设置为system_a和system_b。
userdata - 包含用户数据,设置为userdata_a和userdata_b。
persist- 包含设置信息,设置为persist_a和persist_b。
recovery - 包含恢复包,设置为recovery_a和recovery_b。
abl - Qualcomm引导程序,设置为abl_a和abl_b。
vbmeta - 验证元数据,设置为vbmeta_a和vbmeta_b等。
具体的主备分区数量和名称会根据不同设备和定制系统有所不同,但基本原理相同。

设置主备分区的好处是:

防止单点失败:如果主分区数据损坏,可以从备分区恢复,保证系统可用性。
方便OTA:可以烧写OTA包到主分区,如果出现问题可以从备分区恢复,然后重新推送OTA。
A/B测试:可以在主分区和备分区运行不同版本的系统或配置进行测试,选择更稳定的版本使用。

fastboot刷机

fastboot与QFIL是两种对Android设备进行刷机的方法:
fastboot刷机:

设备进入fastboot模式,通常通过按住音量键+电源键。
使用fastboot工具,给设备下发flash/update命令,烧写对应分区的镜像文件。
fastboot刷机操作简单,但仅能刷主要分区,且要求设备能正常进入fastboot模式。

fastboot命令烧写:

fastboot flash boot boot.img #这个是刷入boot的命令。
fastboot flash recovery recovery.img #刷入recovery 已有recovery的可以跳过。
fastboot erase boot #擦除boot分区
fastboot erase system -w #擦除system分区 擦除 userdata分区和cache分区
fastboot erase system #擦除system分区
fastboot erase cache #擦除cache分区
fastboot erase userdata #擦除userdata分区
fastboot update update.zip #将update.zip刷入
fastboot reboot #重启手机

path: img所在路径

fastboot flash abl_a path\abl.elf
fastboot flash abl_b path\abl.elf
fastboot flash boot_a path\boot.img
fastboot flash boot_b path\boot.img
fastboot flash dtbo_a path\dtbo.img
fastboot flash dtbo_b path\dtbo.img
fastboot flash metadata path\metadata.img
fastboot flash persist path\persist.img
fastboot flash super path\super.img
fastboot flash userdata path\userdata.img
fastboot flash vbmeta_a path\vbmeta.img
fastboot flash vbmeta_b path\vbmeta.img
fastboot flash vbmeta_system_a path\vbmeta_system.img
fastboot flash vbmeta_system_b path\vbmeta_system.img
fastboot flash vendor_boot_a path\vendor_boot.img