Android开机流程-从Power ON到Kernel启动init进程(基于高通平台)

Android开机流程-从Power ON到Kernel启动init进程(基于高通平台)

基础概念

进入正文之前，我们先了解下涉及到的一些缩写或者专业术语。

PBL:

Primary Bootloader（主要引导加载程序），或者叫Boot ROM。PBL 是启动过程的第一个阶段，负责初始化硬件并加载下一个阶段的引导加载程序。程序固化在只读存储上，一旦出厂便不可更改。

SBL:

Secondary Bootloader（二级引导加载程序），现在叫XBL (eXtended Boot Loader)。

XBL:

eXtensible Bootloader（可扩展引导加载程序)。XBL 是一个模块化和可扩展的引导加载程序，可以加载和执行不同的引导模块，支持灵活的启动配置。提供的功能包括部分硬件环境初始化(如DDR, clocks 和 USB 等），代码安全环境初始化 (TrustZone)，高通 9008 模式(紧急下载模式，Emergency Download Mode)。XBL程序存放在emmc中。

XBL用于取代SBL，在模块化、扩展能力、安全性、启动性能和可靠性方面都优于SBL。

ABL:

Android Bootloader（Android引导加载程序，或者叫aboot）。提供的功能包括验证/加载boot.img, recovery模式，fastboot模式。ABL 功能比较复杂，内部其实运行着一个 mini 的操作系统，这个操作系统就是lk(https://github.com/littlekernel/lk)，不过高通从MSM8998开始使用UEFI替代LK（Little Kernel）作为手机的Bootloader。其他平台也有使用uboot作为bootloader。

UEFI（统一可扩展固件接口）、u-boot（统一引导加载程序）和lk（Little Kernel）是三种不同的引导加载程序或固件，用于启动计算机或设备的操作系统。它们之间的区别主要体现在以下几个方面：
UEFI：UEFI是一种固件接口标准，用于替代传统的BIOS（基本输入/输出系统）。UEFI提供了更强大、更灵活的引导和初始化系统的功能。UEFI支持图形界面、网络启动、安全启动等高级功能，使其在现代计算机系统中越来越受欢迎。
u-boot：u-boot是一种开源的引导加载程序，主要用于嵌入式系统。它提供了启动、初始化硬件以及加载操作系统等功能。u-boot通常被用于嵌入式系统中，如嵌入式Linux系统、嵌入式Android系统等。
lk：lk是一种轻量级的内核，主要用于嵌入式系统中的启动过程。lk通常用于启动Android系统的启动过程中，负责初始化硬件并启动操作系统。与u-boot相比，lk更加轻量级，适合于资源受限的嵌入式设备。LK显著的特点是实现了一个简单的线程机制（thread）。

UEFI是一种固件接口标准，而u-boot和lk是两种不同的引导加载程序，用于启动嵌入式系统中的操作系统。它们各自具有不同的特点和适用场景。

EL0, EL1, EL2, EL3

在 ARM 架构中，EL0 到 EL3 是指不同的特权级别，每个级别都有不同的访问权限和功能。高通（Qualcomm）处理器也是基于 ARM 架构的，因此遵循这些特权级别定义。具体来说：

EL0（用户模式，User Mode）：

这是最低的特权级别，通常用于运行普通的用户应用程序。应用程序在这个级别上运行时，不能直接访问硬件或修改系统的关键资源。主要目的是提供一个安全的环境，防止用户应用程序对系统造成破坏。

EL1（内核模式，Kernel Mode）：

这是操作系统内核运行的特权级别。操作系统内核在这个级别上运行时，具有访问硬件和管理系统资源的权限。内核在EL1级别上管理进程调度、内存管理和其他系统服务。

EL2（Hypervisor Mode）：

这是用于虚拟化的特权级别，主要用于运行虚拟机管理程（Hypervisor）。
Hypervisor可以创建和管理多个虚拟机，每个虚拟机运行在EL1或EL0级别上。在EL2级别上运行的Hypervisor可以直接控制硬件资源，并为每个虚拟机提供隔离和保护。

EL3（Secure Monitor Mode）：

这是用于处理安全世界（Secure World）和普通世界（Normal World）之间的切换的特权级别。在这个级别上运行的是Secure Monitor，它负责管理安全状态的转换。
TrustZone技术利用EL3来确保安全世界和普通世界之间的隔离。

HLOS： High-Level Operating System（高级操作系统）。HLOS 是运行在移动设备（如智能手机和平板电脑）上的主要操作系统，它管理和控制设备的大多数功能和应用。HLOS 通常是指运行在 EL1 特权级别上的操作系统，比如 Android 或 Windows Mobile。

IMEM（Internal Memory）:

在高通（Qualcomm）平台上，IMEM（Internal Memory）通常指的是片上(SOC)内部内存，用于在设备启动和运行过程中存储关键数据和代码。IMEM 是 SoC 的一部分，具有高访问速度和低延迟的特点。

开机流程讲解

开机流程概述

下面以高通SM6125平台为例，讲解下高通平台从上电到执行init整个过程。

PBL 是启动过程的第一个阶段，设备上电PBL 执行, PBL 会将初始启动代码加载到 IMEM 中执行，进行基本的硬件初始化。 启动过程中，PBL 可能会将一些重要的信息存储在 IMEM 中，以供后续阶段（如 XBL 和 ABL）访问。

PBL加载和验证 XBL， XBL 可以从 IMEM 中读取硬件配置参数和启动信息，以继续进行更高级别的硬件初始化。XBL 阶段初始化 DRAM、时钟、电源管理和其他外设，然后加载并执行 ABL。

ABL加载 boot.img，其中包含 Android 内核，跳转到内核入口点，启动内核。

ABL 启动 Linux Kernel 之后，内核进入用户态执行 init，init 进而启动 ueventd, zygote等native进程，zygote创建system_server及Java应用进程，完成整个Android系统的启动。感兴趣的朋友，可参考后续文章《Android开机流程-从Init进程启动到进入Android桌面》。

以下本文仅从log带大家看下简单系统启动过程。

开机log分析

PBL、XBL 阶段log

以下这段串口log对应的阶段是PBL->XBL->XBL加载abl镜像并准备启动。

//提供了系统信息，如版本字符串、启动接口、安全启动状态、核心频率等
Format: Log Type - Time(microsec) - Message - Optional Info
Log Type: B - Since Boot(Power On Reset),  D - Delta,  S - Statistic
S - QC_IMAGE_VERSION_STRING=BOOT.XF.4.0-00237-NICOBARLAZ-2
S - IMAGE_VARIANT_STRING=NicobarPkgLAA
S - OEM_IMAGE_VERSION_STRING=a9255d190943
S - Boot Interface: eMMC
S - Secure Boot: Off
S - Boot Config @ 0x01b46070 = 0x00000041
S - JTAG ID @ 0x01b46130 = 0x001750e1
S - OEM ID @ 0x01b46138 = 0x00000000
S - Serial Number @ 0x01b46134 = 0xd092f15a
S - OEM Config Row 0 @ 0x01b441b8 = 0x0000000000000000
S - OEM Config Row 1 @ 0x01b441c0 = 0x0000000000000000
S - Feature Config Row 0 @ 0x01b441d0 = 0x0850200018c00400
S - Feature Config Row 1 @ 0x01b441d8 = 0x00140000000090a0
S - Core 0 Frequency, 1305 MHz
S - PBL Patch Ver: 3
//初始化基本硬件，设置 PBL 频率为 600 MHz。
S - PBL freq: 600 MHZ
D -      5587 - pbl_apps_init_timestamp
D -     78083 - bootable_media_detect_timestamp
D -      1412 - bl_elf_metadata_loading_timestamp
D -       734 - bl_hash_seg_auth_timestamp
D -     14343 - bl_elf_loadable_segment_loading_timestamp
D -      5346 - bl_elf_segs_hash_verify_timestamp
D -      7450 - bl_sec_hash_seg_auth_timestamp
D -       952 - bl_sec_segs_hash_verify_timestamp
D -        32 - pbl_populate_shared_data_and_exit_timestamp
S -    113939 - PBL, End
//PBL结束，XBL启动
B -    135978 - SBL1, Start (MPM timestamp = 141459)
B -    252018 - SBL1 BUILD @ 17:10:51 on May  6 2024
B -    257751 - usb: hs_phy_nondrive_start
B -    261972 - str_overflow
B -    265629 - usb: hs_phy_nondrive_finish
B -    268290 - boot_flash_init, Start
D -        14 - boot_flash_init, Delta
B -    275883 - xblconfig_init, Start
D -       955 - Auth Metadata
D -     25266 - xblconfig_init, Delta
B -    306217 - sbl1_ddr_set_default_params, Start
D -        16 - sbl1_ddr_set_default_params, Delta
B -    314353 - boot_config_data_table_init, Start
B -    319004 - Using default CDT
D -      4642 - boot_config_data_table_init, Delta - (0 Bytes)
B -    326786 - CDT Version:3,Platform ID:34,Major ID:1,Minor ID:0,Subtype:0
B -    340974 - pm_device_init, Start
B -    344176 - PM: PM 0=0x8000028000000001:0x0 
B -    344521 - PM: HARD_RESET by PS_HOLD
B -    384495 - PM: SET_VAL:Skip
B -    384664 - PM: PSI: b0x00_v0x20
B -    391164 - PM: Device Init # SPMI Transn: 2678
D -     50194 - pm_device_init, Delta
B -    395920 - pm_driver_init, Start
B -    402616 - PM: Driver Init # SPMI Transn: 228
D -      3491 - pm_driver_init, Delta
B -    407568 - PM: CHG Init # SPMI Transn: 0
B -    411034 - vsense_init, Start
D -         1 - vsense_init, Delta
B -    421827 - sbl1_ddr_set_params, Start
B -    422691 - Pre_DDR_clock_init, Start
D -        48 - Pre_DDR_clock_init, Delta
D -      7860 - sbl1_ddr_set_params, Delta
B -    433474 - sbl1_ddr_init, Start
D -      3299 - sbl1_ddr_init, Delta
B -    440812 - DSF version = 43.0, DSF RPM version = 20.0
B -    444213 - Max Frequency = 1804 MHz
B -    449716 - do_ddr_training, Start
B -    458608 - Bootup frequency set to 1353600
D -      5313 - do_ddr_training, Delta
B -    463009 - pImem Init Start
D -      5572 - pImem Init End, Delta
B -    472200 - Relocate Pagetable to DDR, Start
B -    476526 - Relocate Pagetable to DDR, End
B -    480137 - External heap init, Start
B -    484436 - External heap init, End
B -    488279 - clock_init, Start
D -        33 - clock_init, Delta
B -    495540 - Loading APDP Image
D -       850 - Auth Metadata
D -       418 - Segments hash check
D -      8668 - Image Loaded, Delta - (8204 Bytes)
B -    507526 - usb: Serial - 3201f2d5
B -    512163 - usb: fedl, vbus_det_err
B -    516290 - PM: SMEM Chgr Info Write Success
B -    519927 - Loading OEM_MISC Image
D -      3942 - Image Loaded, Delta - (0 Bytes)
B -    527811 - Loading QTI_MISC Image
D -      4012 - Image Loaded, Delta - (0 Bytes)
B -    538146 - PM: PM Total Mem Allocated: 1188 
B -    539785 - Loading RPM Image
D -       755 - Auth Metadata
D -      1737 - Segments hash check
D -     14960 - Image Loaded, Delta - (216184 Bytes)
B -    558060 - Loading QSEE Dev Config Image
D -       863 - Auth Metadata
D -       663 - Segments hash check
D -     11795 - Image Loaded, Delta - (36196 Bytes)
B -    573168 - Loading QSEE Image
D -      5257 - Auth Metadata
D -     13821 - Segments hash check
D -     48786 - Image Loaded, Delta - (2001026 Bytes)
B -    625633 - Loading SEC Image
D -      4538 - Image Loaded, Delta - (0 Bytes)
B -    633308 - Loading QHEE Image
D -       863 - Auth Metadata
D -      3163 - Segments hash check
D -     13853 - Image Loaded, Delta - (364984 Bytes)
B -    650835 - Loading STI Image
D -      4455 - Image Loaded, Delta - (0 Bytes)
//加载abl镜像，下一阶段就是启动abl
B -    659364 - Loading APPSBL Image
D -      1236 - Auth Metadata
D -     11755 - Segments hash check
D -     26987 - Image Loaded, Delta - (2097152 Bytes)
//SBL结束
B -    690476 - SBL1, End
D -    558589 - SBL1, Delta
S - Flash Throughput, 110000 KB/s  (4774750 Bytes,  43020 us)
S - DDR Frequency, 1353 MHz

日志类型说明

• S：统计日志，提供系统信息。
• B：启动日志，表示特定启动阶段的开始。每个阶段时间戳递增。时间单位为微秒。

B -    135978 - SBL1, Start (MPM timestamp = 141459)
  B -    252018 - SBL1 BUILD @ 17:10:51 on May  6 2024
  B -    257751 - usb: hs_phy_nondrive_start
  ...
  B -    633308 - Loading QHEE Image
  B -    650835 - Loading STI Image
  B -    659364 - Loading APPSBL Image
  B -    690476 - SBL1, End

• D：时间间隔日志，显示启动日志中间特定事件之间的时间间隔。没有递增关系。时间单位为微秒。

D -      5587 - pbl_apps_init_timestamp
  D -     78083 - bootable_media_detect_timestamp
  D -      1412 - bl_elf_metadata_loading_timestamp
  D -       734 - bl_hash_seg_auth_timestamp

ABL阶段log

以下是正常开机的ABL阶段串口log，此处ABL使用的是UEFI。

UEFI Start     [  909]
 - 0x05FC01000 [  916] Sec.efi
ASLR        : ON
DEP         : ON (RTB)
Timer Delta : +6 mS
RAM Entry 0 : Base 0x0000000040000000  Size 0x000000003DA00000
RAM Entry 1 : Base 0x00000000C0000000  Size 0x0000000080000000
RAM Entry 2 : Base 0x0000000080000000  Size 0x0000000040000000
UART Buffer size set to 0x8000 
Continue booting UEFI on Core 0
UEFI Ver    : 5.0.240506.BOOT.XF.4.0-00237-NICOBARLAZ-2
Build Info  : 64b May  6 2024 17:11:06
Boot Device : eMMC
PROD Mode   : TRUE
Retail      : TRUE
HW Wdog Setting from PCD : Disabled
PM0: 45, 
UsbConfigLibOpenProtocols: PMI8998 not detected
UsbConfigLibOpenProtocols: gPmicNpaClientSS1 cannot be created
UsbConfigPortsQueryConnectionChange: UFP and micro-USB
UsbConfigPortsQueryConnectionChange: usbport->connectstate: ATT
DisplayDxe: Resolution 720x1280 (1 intf)
------ABL FV already mounted
Disp init wait [ 1612] 
DisplayDxe: Backlight enable gpio (6) config fialed - 7!
input CTRL+C enter ALLPIN mode
-----------------------------
Platform Init  [ 2777] BDS
UEFI Ver   : 5.0.240506.BOOT.XF.4.0-00237-NICOBARLAZ-2
Platform           : IDP
Chip Name          : QCM_NICOBAR
Chip Ver           : 1.0
Chip Serial Number : 0xD092F15A
-----------------------------
QcomChargerApp:: QcomChargerApp_Entry Can not locate Charger Protocol = Not Found 
Failed to launch default charger app, status: Device Error
UEFI Total : 1889 ms
POST Time      [ 2798] OS Loader
[2804]Loader Build Info: May 15 2024 09:49:06
VB: Non-secure device: Security State: (0xF7F)
VB: RWDeviceState: Succeed using devinfo!
[2812]Failed to get recovery status, Not Found
[2815]Platform Info : 0x22
[2815]Total DDR Size: 0x00000000FDA00000 
[2815]KeyPress:0, BootReason:0
[2815]Fastboot=0, Recovery:0
[2815]SilentBoot Mode:11
[2816]GetVmData: No Vm data present! Status = (0x3)
[2816]VM Hyp calls not present
[2818]Loading Image recovery_a Done : 2 ms, Image size : 4096 Bytes
[2820]Loading Image init_boot_a Done : 2 ms, Image size : 4096 Bytes
[2820]Booting from slot (_a)
[2820]Booting Into Mission Mode
[2821]UpdateRollbackSyscall: Older TZ, skipping update[2823]Loading Image boot_a Done : 2 ms, Image size : 4096 Bytes
[2825]Load Image vbmeta_a total time: 2 ms 
[2825]avb_vbmeta_image.c[2825]:[2825]207[2825]: ERROR: [2825]Hash does not match!
[2825]avb_slot_verify.c[2825]:[2825]818[2825]: ERROR: [2825]vbmeta_a[2825]: Error verifying vbmeta image: [2825]HASH_MISMATCH[2825]
[3173]Load Image boot_a total time: 326 ms 
[3262]Load Image dtbo_a total time: 83 ms 
[3610]Load Image vendor_boot_a total time: 326 ms 
[3641]Load Image init_boot_a total time: 28 ms 
[3642]GetHandleInfo: No media!
[3642]AvbGetSizeOfPartition: GetHandleInfo failed[3643]Ftr OsVer:0x34000 SPL:0x2983
[3649]VB2: Authenticate complete! boot state is: orange
[3649]VB2: boot state: orange(1)
[3653]Silent Mode value: 11
[3655]Memory Base Address: 0x40000000
[3680]Override DTB: GetBlkIOHandles failed loading user_dtbo!
[3957]Apply Overlay total time: 277 ms 
UsbPwrCtrlLib_GetVbusDetect Failed, Error[Device Error] 
[3990]Error getting off mode charging info: Device Error
[3992]Unable to get hw fence Config, Not Found
[3993]Unable to get GPU Preempt Config, Not Found
[3994]Offlining Memory Not Supported
[3994]Cmdline: lpm_levels.sleep_disabled=1 video=vfb:640x400,bpp=32,memsize=3072000 msm_rtb.filter=0x237 service_locator.enable=1 swiotlb=2048 loop.max_part=7 cgroup.memory=nokmem,nosocket reboot=panic_warm log_buf_len=2M bootconfig buildvariant=userdebug  andr[4017]Final s
[4017]Add Base: 0x0000000040000000 Available Length: 0x000000003DA00000 
[4017]Add Base: 0x00000000C0000000 Available Length: 0x0000000080000000 
[4018]Add Base: 0x0000000080000000 Available Length: 0x0000000040000000 
[4018]WARNING: Unsupported EFI_RAMPARTITION_PROTOCOL
[4042]ramdump region not found in device tree
[4060]PartialGoods Value: 0x0
[4060]Update Device Tree total time: 43 ms 
[4060]
Shutting Down UEFI Boot Services: 4060 ms
Start EBS        [ 4060] 
BDS: LogFs sync skipped, Unsupported
App Log Flush : 46 ms
Exit EBS        [ 4132] UEFI End

kernel阶段log

ABL启动kernel，以下是kernel起始阶段串口log，kernel启动后会启动init进程。

[    0.000000][    T0] Linux version 5.15.137-qki-consolidate-android13-8-g860b7653516f-dirty (build-user@build-host) (Android (8508608, based on r450784e) clang version 14.0.7 (https://android.googlesource.com/toolchain/llvm-project 4c603efb0cca074e9238af8b4106c30add4418f4
[    0.000000][    T0] random: crng init done
[    0.000000][    T0] **********************************************************
[    0.000000][    T0] **   NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE   **
[    0.000000][    T0] **                                                      **
[    0.000000][    T0] ** This system shows unhashed kernel memory addresses   **
[    0.000000][    T0] ** via the console, logs, and other interfaces. This    **
[    0.000000][    T0] ** might reduce the security of your system.            **
[    0.000000][    T0] **                                                      **
[    0.000000][    T0] ** If you see this message and you are not debugging    **
[    0.000000][    T0] ** the kernel, report this immediately to your system   **
[    0.000000][    T0] ** administrator!                                       **
[    0.000000][    T0] **                                                      **
[    0.000000][    T0] **   NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE   **
[    0.000000][    T0] **********************************************************
[    0.000000][    T0] OF: reserved mem: OVERLAP DETECTED!
[    0.000000][    T0] disp_rdump_region@5c000000 (0x000000005c000000--0x000000005cf00000) overlaps with splash_region@5c000000 (0x000000005c000000--0x000000005cf00000)
...
...
[    6.928931][    T1] F2FS-fs (mmcblk0p83): Found nat_bits in checkpoint
[    6.945468][    T1] F2FS-fs (mmcblk0p83): Mounted with checkpoint version = 65171a90
[    7.097129][    T1] printk: init: 190 output lines suppressed due to ratelimiting
[    7.232333][    T1] init: Failed to open package /system/etc/selinux/apex/SEPolicy.zip: No such file or directory
[    7.865559][   T91] audit: type=1403 audit(890.143:2): auid=4294967295 ses=4294967295 lsm=selinux res=1
[    7.886301][    T1] init: global_bootmode
[    7.996776][    T1] init: Init cannot set 'ro.boot.pmi632_exist' to 'false': Read-only property was already

logcat中kernel log以及dmesg log都是只能从kernel启动开始抓log，logcat和dmesg log中不包含PBL，XBL和ABL阶段log，这些只能从串口log中获取。

logcat中kernel log：

--------- beginning of kernel
01-01 08:14:42.288     0     0 I         : Booting Linux on physical CPU 0x0000000000 [0x51af8014]
01-01 08:14:42.288     0     0 I         : Linux version 5.15.137-qki-consolidate-android13-8-g860b7653516f-dirty (build-user@build-host) (Android (8508608, based on r450784e) clang version 14.0.7 (https://android.googlesource.com/toolchain/llvm-project 4c603efb0cca074e9238af8b4106c30add4418f6), LLD 14.0.7) #1 SMP PREEMPT Tue May 14 03:07:26 UTC 2024
01-01 08:14:42.288     0     0 I random  : crng init done
01-01 08:14:42.288     0     0 I Machine model: Qualcomm Technologies, Inc. TRINKET IOT IDP Overlay
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **********************************************************
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **   NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE   **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **                                                      **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : ** This system shows unhashed kernel memory addresses   **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : ** via the console, logs, and other interfaces. This    **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : ** might reduce the security of your system.            **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **                                                      **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : ** If you see this message and you are not debugging    **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : ** the kernel, report this immediately to your system   **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : ** administrator!                                       **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **                                                      **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **   NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE NOTICE   **
01-01 08:14:42.288     0     0 W         : **********************************************************
01-01 08:14:42.288     0     0 I panic_on_taint: bitmask=0x20 nousertaint_mode=disabled
01-01 08:14:42.288     0     0 I efi     : UEFI not found.
01-01 08:14:42.288     0     0 E OF      : reserved mem: OVERLAP DETECTED!
01-01 08:14:42.288     0     0 E         : disp_rdump_region@5c000000 (0x000000005c000000--0x000000005cf00000) overlaps with splash_region@5c000000 (0x000000005c000000--0x000000005cf00000)
01-01 08:14:42.288     0     0 I Reserved memory: created CMA memory pool at 0x00000000ff800000, size 4 MiB
01-01 08:14:42.288     0     0 I OF      : reserved mem: initialized node sdsp_region, compatible id shared-dma-pool
01-01 08:14:42.288     0     0 I OF      : reserved mem: 0x00000000ff800000..0x00000000ffbfffff (4096 KiB) map reusable sdsp_region