Android系统升级那些事儿

摘要

        本文首先介绍了Android系统更新要用到的一些概念：硬件、三种模式及相互之间的通信。然后介绍了Android系统的启动和升级流程。

概述

        通常，Android系统的升级包名称为update.zip。Android系统内部自带了烧写升级包的工具，我们可以手动烧写，也可以通过某些机制自动更新系统。同时，我们可以手动修改和制作升级包。本文主要阐述在Android系统升级中用到的一些概念，本文只是作为索引，并不涉及到具体的烧写工作。本文基于Android系统的版本：4.0.4。

硬件

        Android系统的烧写，是非常贴近硬件的。一是，烧写是在实实在在的硬件上操作的。二则，有时在翻阅源码的时候，需要知道硬件的类型，以便找到和硬件相对应的源码。

        烧写相关的硬件主要有三部分：CPU、内存和nand flash。当然，只是相对本文而言。CPU用来执行程序中的指令。内存只是在运行中，将需要运行的程序加载其中并运行，关机后即消失。nand flash用来存储程序的数据，它会一直存在。系统启动时，会将nand flash上的操作系统加载到内存，然后运行在CPU中，对于非系统程序，按需加载到内存中运行。了解这些，有助于了解整个烧写的过程。

        在板子上，可以通过下面的命令，查看CPU的信息：

cat /proc/cpuinfo

        通过如下命令查看内存的信息：

cat /proc/meminfo

        nand flash是需要分区的，每个分区中对应了Android系统烧写包中不同的image，比如：boot、system分区等。可以通过如下命令来查看nand flash的分区情况：

cat /proc/mtd # 查看分区状况

        通常，nand flash包含了以下分区：

1. 开机动画：用于在开机或者升级过程中显示在屏幕上的内容。
2. boot：用于Android系统的正常启动
3. recovery：用于Android系统进入recovery模式下，参见本文后续介绍。
4. misc：用于保存BCB的内容，参见本文后续介绍。
5. system：对应于Android系统的正常模式下的/system目录。
6. cache：用于不同模式之间的通信，参见本文后续介绍。
7. user-data：用于Android应用数据的存放。

        nand flash上的分区可以按需要增减，这取决于不同的Android系统配置。不过它有可能在Android不同的模块中都有定义。同时，这些分区的可能在Android不同的模块中都有配置，比如：内核、bootloader。

        通过下面的命令查看nand flash的总大小：

dmesg | grep NAND

三种模式

        烧写的过程中，需要在三种模式下互相切换。确切的说，应该是三个操作环境：bootloader、recovery和main system。

        bootloader主要用来屏蔽硬件的差异，类似于PC中的BIOS，它的功能相对比较简单，内部提供了一些命令，比如：可以将nand flash分区加载到内存、运行内存中的程序、操作SD卡等。Android中的booloader是uboot，位于源码的uboot目录下。

        main system就是正常运行的Android操作系统，而recovery则是一个mini的Android系统，顾名思义，就是用来进行系统恢复相关的操作的，它的运行规则和main system一样，只是，它在启动时只加载recovery服务，此服务用于烧写Android系统。

        三者之间的关系如下图所示：

        系统先启动到bootloader模式下，然后根据情况，启动到recovery或者main system模式下。

bootloader

        板子启动时，在Putty控制台中按回车，可以进入uboot，输入help可以查看其可用的命令。uboot的命令是可以自定义的，需要在uboot源码中进行设置。uboot下可以使用fastboot命令，进入fastboot模式下，可以使用PC与之连接（此时，使用fastboot协议通信），进行Android系统的烧写工作。

        在uboot中，你可以更新uboot在内的所有系统模块。

recovery

        recovery系统包含了内核和类似于根文件系统两部分，启动时仍采用init进程和init.rc配置脚本，不同的是init.rc脚本比较简单，system目录中只存放了一些必备的工具。

        recovery系统下，你能更新除uboot之外的所有Android系统模块。

        recovery模式下，只有一个recovery服务，该服务对应于recovery进程，源码位置：bootable\recovery。

main system

        main system是正常运行的Android系统。

通信

        Android板子每个时刻只可以处于bootloader、recovery、main system其中的一个模式中，烧写过程中，三个模式之间需要通信，比如：main system通知recovery烧写那个升级包。大致有三种方式可以用来通信：BCB、寄存器和cache分区。

BCB

        BCB (bootloader control block)可以用于main system传递数据给bootloader和recovery模式。BCB的内容存在于nand flash的一个独立的分区，可以在nand flash分区表中看到，分区的名称为misc。

        通过BCB，main system可以通知bootloader启动到recovery模式下，同时也可以传递命令给recovery，比如烧写哪个文件。

        recovery在烧写的过程中，会设置BCB，以确保烧写成功前，一直会开机启动到recovery模式下，这样可以防止烧写过程中断电的情况。

寄存器

        main system模式下，运行如下命令会重启，并进入recovery模式：（也可调用android_reboot函数）

reboot recovery

        reboot命令实际上是系统调用，最终会调用到内核的kernel_restart函数，该函数最终会设置某个寄存器的位置，然后执行重启操作。

重启后，bootloader会检测到该寄存器的值，并根据其值，启动到recovery模式下。

cache分区

        recovery和main system模式下，都会将nand flash的cache分区挂载到cache目录从而实现这两种模式下的通信。比如：main system模式下，下载升级包update.zip，并将其路径设置到文件/cache/recovery/command中，然后重启到recovery模式下，recovery进程会读取到文件/cache/recovery/command中的值，并执行系统升级工作。

升级包

        通常升级包的名称为update.zip，它包含了要升级的内容和升级脚本，也就是说，整个升级的过程都由升级包本省控制。

        升级脚本解析对应的源码：META-INF\com\google\android\updater-script。可用的命令列表可以参见bootable\recovery\updater\install.c的函数RegisterInstallFunctions()。

        解析升级脚本采用语言Edify，源码位置：bootable\recovery\updater和bootable\recovery\edify。

        若想自己制作update.zip包，需要使用的一下三个文件：

1. out/host/linux-x86/framework/signapk.jar
2. build/target/product/security/testkey.pk8
3. build/target/product/security/testkey.x509.pem

        制作的过程：

1. 解压从源码中编译出来的update.zip。
2. 修改解压后的文件。
3. 重新压成包update.zip
4. 使用命令处理update.zip，该命令主要是最zip执行签名操作：java -Xmx1024m -jar signapk.jar -w testkey.x509.pem testkey.pk8 update.zip update_unsigned.zip
5. update_unsigned.zip就是最终的升级包。
   

启动流程

        启动流程大致路下：

        1.开机后，启动到bootloader下，bootloader会作一些初始化的操作，然后会从三个地方确定后面的动作：

        查找SD卡上指定的文件：此种情况，主要用于，通过SD卡，升级系统。只要在SD卡中按照规则放置升级文件和相关的脚本，即可实现系统的升级。

        查找按键的状态：此种情况主要用于开机后进入bootloader或者recovery模式，按键也通常是硬件上的几个键按下的状态。

        获取BCB的内容：需要根据BCB的内容，来执行具体的操作，通常是进入recovery模式。

        若没有发现上述的三种信息，则会按照正常的启动流程，进入main system模式。

        2.若需要通过SD卡升级，则会显示升级提示界面，并开始系统升级，完成后，重启进入main system。

        3.若需要进入recovery模式，在bootloader模式下，会加载recovery分区到内存，然后进入recovery模式下。

        recovery会启动recovery进程，该进程会读取/cache/recovery分区中的内容，决定具体的操作。若没有相关的配置，则进入控制台模式。

        4.若需要进入main system模式，则会加载boot分区中的内容，然后进入正常的启动流程。

升级流程

        升级的流程大致如下：

        1.main system模式下，下载update.zip到/cache目录。

        2.设置/cache/recovery/command目录的内容为：--update_package=/cache/update.zip。

        3.调用函数android_reboot，并设置进入recovery模式的代码。

        4.系统重启，进入recovery模式，并启动recovery进程，该进程会检测/cache/recovery/command的内容，然后升级update.zip。

参考资料

1. Fastboot
2. 09年初写的Android Recovery 09年初写的Android Recovery
3. android recovery 模式启动进入流程
   
4. U-Boot启动过程完全分析
   
5. Edify scripts in CWM recovery