Android系统开发（六）：从Linux到Android：模块化开发，GKI内核的硬核科普

引言：

今天我们聊聊Android生态中最“硬核”的话题：通用内核镜像（GKI）与内核模块接口（KMI）。这是内核碎片化终结者的秘密武器，解决了内核和供应商模块之间无尽的兼容性问题。为什么重要？试想一下，如果每个厂商都要为不同内核版本手动适配驱动代码，那Android硬件的开发效率岂不是要“哭晕在厕所”？而GKI通过统一接口（KMI），让模块复用成为可能，为Android开发者铺平了道路！本文将带你从理论到实践，全面掌握GKI和KMI的奥秘。
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一、技术背景：

GKI与Linux LTS内核的关系：
**GKI（Generic Kernel Image）**是Google基于Linux长期支持（LTS）内核开发的Android通用内核版本。它的目标是通过统一内核架构，减少Android设备的碎片化，提升内核的可维护性和兼容性。

KMI的诞生：
KMI（Kernel Module Interface）是供应商模块与GKI内核交互的桥梁，定义了一组稳定的符号接口（如函数和全局变量）。这不仅让供应商模块可以轻松适配不同版本的GKI，还显著降低了厂商的研发成本。

GKI 内核和供应商模块架构示例图：
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二、概念原理：

GKI的基本原理：
GKI通过模块化设计，将通用内核功能与硬件专属代码分离。它提供了标准化的接口，所有硬件相关功能都由供应商模块实现，而GKI则负责处理更高层次的通用逻辑。

KMI的工作机制：
KMI通过一个符号列表定义供应商模块所需的核心函数和数据。这些符号在GKI内核中保持稳定，避免了内核更新时的兼容性问题。

GKI+KMI的意义：

降低碎片化： 提升不同Android设备间的通用性。
减少维护成本： 内核更新无需重新适配供应商模块。
提升性能和安全性： 通过标准化实现更高的运行效率和安全保障。

三、实现方法：

工具与环境准备：

AOSP源码： 下载并同步最新的Android源码。
Linux LTS内核： 使用与Android版本匹配的LTS内核。
开发工具链： Android推荐的Clang编译器。
硬件开发环境： 如开发板（Raspberry Pi 4）或虚拟机（QEMU）。
调试工具： adb、strace、perf、gdb等。

实现步骤：

设置AOSP环境：

repo init -u https://android.googlesource.com/platform/manifest
repo sync -j$(nproc)

编译GKI内核：
- 获取内核配置：
```
make ARCH=arm64 defconfig
```
- 编译内核镜像：
```
make ARCH=arm64 -j$(nproc)
```

开发供应商模块：
编写一个简单的供应商模块，加载到GKI内核中。
代码示例：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

static int __init vendor_module_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Vendor Module Loaded!\n");
    return 0;
}

static void __exit vendor_module_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Vendor Module Unloaded!\n");
}

module_init(vendor_module_init);
module_exit(vendor_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple vendor module");

加载模块测试：
编译并加载供应商模块：

make modules
insmod vendor_module.ko
dmesg | grep "Vendor Module Loaded"

与KMI接口的交互：
- 定义KMI符号：
  在GKI内核代码中添加符号支持：
```
EXPORT_SYMBOL(vendor_module_init);
```
测试与验证：
使用dmesg、adb等工具验证模块运行状态。

四、项目实战：GKI与KMI在真实开发中的实践案例

以下是三个基于GKI与KMI的实践案例，涵盖触摸屏驱动、GPU模块和音频驱动的开发与优化。每个案例都提供详细步骤、关键代码和最终验证方法，确保能在编译环境中直接运行。

案例一：触摸屏驱动开发

背景：
为一款基于I2C通信的触摸屏硬件开发驱动模块，并通过KMI接口适配GKI内核，实现触摸事件的捕获与传递。

步骤：

准备开发环境：
- 硬件：开发板（如Raspberry Pi 4）和触摸屏模块。
- 工具：Linux内核源码、AOSP环境和Clang编译器。

修改设备树：
配置设备树文件，让内核识别触摸屏硬件：

i2c1: i2c@1c2ac000 {
    compatible = "i2c-generic";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;

    touch@38 {
        compatible = "generic,touch";
        reg = <0x38>;
    };
};

编写驱动代码：
实现I2C通信和触摸数据解析：

#include <linux/module.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/input.h>

static int touch_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id) {
    struct input_dev *input_dev;
    input_dev = devm_input_allocate_device(&client->dev);
    if (!input_dev)
        return -ENOMEM;

    input_dev->name = "Touchscreen";
    input_dev->id.bustype = BUS_I2C;

    input_set_abs_params(input_dev, ABS_X, 0, 1024, 0, 0);
    input_set_abs_params(input_dev, ABS_Y, 0, 768, 0, 0);

    input_register_device(input_dev);
    return 0;
}

static int touch_remove(struct i2c_client *client) {
    return 0;
}

static const struct i2c_device_id touch_id[] = {
    {"generic_touch", 0},
    {}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, touch_id);

static struct i2c_driver touch_driver = {
    .driver = {
        .name = "generic_touch",
    },
    .probe = touch_probe,
    .remove = touch_remove,
    .id_table = touch_id,
};

module_i2c_driver(touch_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");

加载驱动模块：

编译模块：

make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules

加载模块：
```
insmod touch.ko
```

验证功能：
- 使用dmesg查看内核日志，确保驱动加载成功。
- 在开发板上运行evtest工具，验证触摸事件。

案例二：GPU驱动模块优化

背景：
为GPU硬件开发供应商模块，并通过KMI接口优化内存分配和DMA传输性能。

步骤：

实现GPU内存管理：
编写内核模块，实现内存分配与DMA映射：

#include <linux/dma-mapping.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/module.h>

static int __init gpu_module_init(void) {
    void *dma_buffer;
    dma_addr_t dma_handle;

    dma_buffer = dma_alloc_coherent(NULL, PAGE_SIZE, &dma_handle, GFP_KERNEL);
    if (!dma_buffer)
        return -ENOMEM;

    printk(KERN_INFO "DMA buffer allocated at %p (phys: %llx)\n", dma_buffer, dma_handle);
    return 0;
}

static void __exit gpu_module_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "GPU module unloaded\n");
}

module_init(gpu_module_init);
module_exit(gpu_module_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("GPU Module Optimization");

加载模块并测试：
- 编译并加载模块。
- 检查dmesg日志确认DMA内存分配成功。
优化KMI符号：
- 定义符号导出：
```
EXPORT_SYMBOL(dma_alloc_coherent);
```
- 确保符号在内核的KMI列表中定义。
验证性能：
使用perf工具分析GPU模块的性能改进。

案例三：音频驱动模块开发

背景：
开发一个支持多声道播放的音频驱动模块，基于ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）接口。

步骤：

实现音频驱动代码：

#include <sound/soc.h>

static int audio_probe(struct platform_device *pdev) {
    struct snd_soc_dai_driver dai = {
        .name = "audio_dai",
        .playback = {
            .stream_name = "Playback",
            .channels_min = 2,
            .channels_max = 8,
            .rates = SNDRV_PCM_RATE_48000,
            .formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE,
        },
    };
    return snd_soc_register_component(&pdev->dev, &dai, NULL, 0);
}

static int audio_remove(struct platform_device *pdev) {
    return 0;
}

static struct platform_driver audio_driver = {
    .driver = {
        .name = "audio_driver",
    },
    .probe = audio_probe,
    .remove = audio_remove,
};

module_platform_driver(audio_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");

加载模块并配置ALSA:
- 加载音频模块：
```
insmod audio.ko
```
- 使用aplay工具播放测试音频文件。
验证音频输出：
- 确保多声道输出正常。
- 使用音频分析工具（如audacity）检测音质。

案例总结：

这些案例展示了如何通过GKI和KMI接口实现驱动模块的开发和优化。从触摸屏到GPU再到音频驱动，每一步都结合了实际的开发需求，提供了完整的代码实现和验证方法。这些模块不仅适用于学习，也可以直接应用于实际项目中。

五、踩坑：

符号未定义： 检查符号是否在KMI列表中导出。
内核崩溃： 使用dmesg和gdb定位问题。
性能瓶颈： 优化模块中的内存操作与中断处理。

六、注意：

优点	缺点
提高兼容性和稳定性	初期开发门槛较高
减少碎片化和维护成本	调试和性能优化耗时
安全性更高，更新更快	需要更多学习KMI知识