演講嘉賓 | 代 杰

回顧整理 | 廖 濤

排版校對(duì) | 宋夕明

嘉賓介紹

OS內(nèi)核及視窗分論壇

代杰，華為OS內(nèi)核實(shí)驗(yàn)室驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>

正文內(nèi)容

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中扮演著至關(guān)重要的角色，其直接與硬件設(shè)備交互，為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供硬件操作的接口，并管理系統(tǒng)中的硬件資源。目前，HarmonyOS NEXT的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)在兼容性和競爭力構(gòu)建上有哪些挑戰(zhàn)和機(jī)遇？華為OS內(nèi)核技術(shù)專家代杰在第三屆OpenHarmony技術(shù)大會(huì)上進(jìn)行了精彩分享。

驅(qū)動(dòng)生態(tài)復(fù)雜度高：既包含了南向生態(tài)（面向器件），也包含了部分北向生態(tài)（面向應(yīng)用）；既包含了硬件外設(shè)（UFS、GPU等），也包含了虛擬設(shè)備（random、loop、dm、dmabuf 等）；既包含了硬件控制器（UFS host），也包含了協(xié)議層（SCSI、USB、DRM等）。對(duì)于 HarmonyOS NEXT 這樣一個(gè)新生的操作系統(tǒng)來說，驅(qū)動(dòng)生態(tài)對(duì)其內(nèi)核意味著什么？

先讓我們看一組數(shù)據(jù)：在Linux超過3000萬行的代碼中，有60%是驅(qū)動(dòng)代碼，重新開發(fā)需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，且部分廠商不提供源碼；以手機(jī)為例，驅(qū)動(dòng)超過400個(gè)，涉及內(nèi)核的接口超過1000個(gè)，代碼量超過400萬行。此外，應(yīng)用生態(tài)上有POSIX標(biāo)準(zhǔn)，但驅(qū)動(dòng)生態(tài)上卻缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，兼容Linux的驅(qū)動(dòng)生態(tài)是從NEXT內(nèi)核誕生時(shí)就需要考慮的問題。

HarmonyOS NEXT內(nèi)核采取了UDK（Unified Driver Kit）技術(shù)，通過統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)框架，支持多個(gè)后端的方案，使其更好地兼容Linux的驅(qū)動(dòng)生態(tài)。該技術(shù)的特點(diǎn)主要有：既能運(yùn)行NDC（Native Driver Container），也能運(yùn)行LDC（Legacy/Linux Driver Container），且可以幾乎零修改兼容Linux的驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)框架和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在獨(dú)立的進(jìn)程空間。業(yè)界與UDK同類的項(xiàng)目如Genode DDEKit、Linux Kernel Library、VMWare vmklinux等，均因性能、兼容性以及版本演進(jìn)等因素未成功。那么UDK目前面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)有哪些？

LDC 側(cè)面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)主要有：（1）如何具備跨 Linux 版本的演進(jìn)能力？驅(qū)動(dòng)版本碎片化已經(jīng)成業(yè)界痛點(diǎn)，DDEKit 就因跟不上 Linux 版本演進(jìn)而放棄；（2）兩個(gè)內(nèi)核模型如何對(duì)接，Linux 內(nèi)核機(jī)制如何在用戶態(tài)來表達(dá)？（3）性能及內(nèi)存開銷問題，例如跨進(jìn)程通信開銷、內(nèi)存拷貝開銷等；（4）與原生容器并存和過渡問題。

針對(duì)上述問題（1），可以采用Base + Model架構(gòu)，分離較為穩(wěn)定的基礎(chǔ)KABI和易變KABI，便于跟隨版本演進(jìn)（DC-Base：包含不易隨版本變化的穩(wěn)定的KABI；DC-Model：包含易變的KABI集合），使其能夠在Linux發(fā)行版上實(shí)現(xiàn)多版本驅(qū)動(dòng)并存功能。

針對(duì)上述問題（2），可以采取可擴(kuò)展內(nèi)核語義映射框架。Extension：host 側(cè)向 LDC 提供的功能擴(kuò)展，將 NEXT 內(nèi)核的能力做一層封裝，實(shí)現(xiàn)與 Linux 內(nèi)核基本等價(jià)的接口供驅(qū)動(dòng)使用；interface ko：提供 host 與驅(qū)動(dòng)交互通道，完成 host/linux 名字空間轉(zhuǎn)換。

NDC 側(cè)面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)主要有：（1）目前，NDC 巨量的接口缺失，生態(tài)不完備，Linux 面向驅(qū)動(dòng)的上萬接口難以重新實(shí)現(xiàn)。且短期看，NDC只能運(yùn)行在受限場景，無法完全舍棄 LDC；（2）用戶態(tài)的驅(qū)動(dòng)框架性能和宏內(nèi)核仍存在差距。文件系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的交互多一次進(jìn)程間通信，驅(qū)動(dòng)和內(nèi)存的交互同樣需要進(jìn)程間通信，且交互更為頻繁，例如 GPU 驅(qū)動(dòng)需要頻繁地申請(qǐng)、釋放內(nèi)存。

針對(duì)上述（1）的 NDC 接口缺失問題，NEXT 內(nèi)核采取 LDC/NDC 多模共存的方案，實(shí)現(xiàn)生態(tài)上的抽屜式替換。從NDC和LDC的二選一階段，逐步演進(jìn)到LDC/NDC的多模同時(shí)部署：所有的驅(qū)動(dòng)和設(shè)備由 devmgr 同一管理，devmgr 可以路由到“正確”的驅(qū)動(dòng)容器；NDC 可以抽屜式替換 LDC 中的驅(qū)動(dòng)，能夠做到實(shí)現(xiàn)一個(gè)，替換一個(gè)，按重要程度逐步替換。此外，采取“孿生驅(qū)動(dòng)”（Twin Driver）模式，針對(duì)代碼量巨大的驅(qū)動(dòng)，為減小工作量，使用雙驅(qū)動(dòng)容器協(xié)同方式：將核心的數(shù)據(jù)路徑，和上層應(yīng)用交互的路徑由 NDC 承載，設(shè)備節(jié)點(diǎn)由 NDC 創(chuàng)建；上下電、初始化等功能仍通過 LDC 承載。

針對(duì)上述（2）的性能問題，可以采用 NDC 多態(tài)部署方案，實(shí)現(xiàn)安全和性能的權(quán)衡。NDC 中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)，例如 UFS 存儲(chǔ)設(shè)備和 VFS 部署在同一個(gè)地址空間，其他驅(qū)動(dòng)則部署在獨(dú)立的地址空間。同時(shí)，中斷通過遷移線程模型直通用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)框架，解決傳統(tǒng)的中斷在用戶態(tài)處理，需要經(jīng)過調(diào)度的問題，可以將時(shí)延壓縮到 2us 以內(nèi)。

未來，隨著HarmonyOS NEXT生態(tài)和技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)框架作為北向和南向的生態(tài)中樞，有很多的機(jī)會(huì)。例如，提供更多的信息到應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的性能功耗控制；打破傳統(tǒng)的分層解耦，簡化關(guān)鍵協(xié)議、關(guān)鍵路徑等等。