演講嘉賓 | 代 杰

回顧整理 | 廖 濤

排版校對 | 宋夕明

嘉賓介紹

OS內核及視窗分論壇

代杰，華為OS內核實驗室驅動領域專家。

正文內容

設備驅動程序在內核中扮演著至關重要的角色，其直接與硬件設備交互，為操作系統和應用程序提供硬件操作的接口，并管理系統中的硬件資源。目前，HarmonyOS NEXT的內核驅動在兼容性和競爭力構建上有哪些挑戰和機遇？華為OS內核技術專家代杰在第三屆OpenHarmony技術大會上進行了精彩分享。

驅動生態復雜度高：既包含了南向生態（面向器件），也包含了部分北向生態（面向應用）；既包含了硬件外設（UFS、GPU等），也包含了虛擬設備（random、loop、dm、dmabuf 等）；既包含了硬件控制器（UFS host），也包含了協議層（SCSI、USB、DRM等）。對于 HarmonyOS NEXT 這樣一個新生的操作系統來說，驅動生態對其內核意味著什么？

先讓我們看一組數據：在Linux超過3000萬行的代碼中，有60%是驅動代碼，重新開發需要耗費大量的人力和時間成本，且部分廠商不提供源碼；以手機為例，驅動超過400個，涉及內核的接口超過1000個，代碼量超過400萬行。此外，應用生態上有POSIX標準，但驅動生態上卻缺乏統一的標準。因此，兼容Linux的驅動生態是從NEXT內核誕生時就需要考慮的問題。

HarmonyOS NEXT內核采取了UDK（Unified Driver Kit）技術，通過統一驅動框架，支持多個后端的方案，使其更好地兼容Linux的驅動生態。該技術的特點主要有：既能運行NDC（Native Driver Container），也能運行LDC（Legacy/Linux Driver Container），且可以幾乎零修改兼容Linux的驅動；驅動框架和驅動運行在獨立的進程空間。業界與UDK同類的項目如Genode DDEKit、Linux Kernel Library、VMWare vmklinux等，均因性能、兼容性以及版本演進等因素未成功。那么UDK目前面臨的核心技術挑戰有哪些？

LDC 側面臨的核心技術挑戰主要有：（1）如何具備跨 Linux 版本的演進能力？驅動版本碎片化已經成業界痛點，DDEKit 就因跟不上 Linux 版本演進而放棄；（2）兩個內核模型如何對接，Linux 內核機制如何在用戶態來表達？（3）性能及內存開銷問題，例如跨進程通信開銷、內存拷貝開銷等；（4）與原生容器并存和過渡問題。

針對上述問題（1），可以采用Base + Model架構，分離較為穩定的基礎KABI和易變KABI，便于跟隨版本演進（DC-Base：包含不易隨版本變化的穩定的KABI；DC-Model：包含易變的KABI集合），使其能夠在Linux發行版上實現多版本驅動并存功能。

針對上述問題（2），可以采取可擴展內核語義映射框架。Extension：host 側向 LDC 提供的功能擴展，將 NEXT 內核的能力做一層封裝，實現與 Linux 內核基本等價的接口供驅動使用；interface ko：提供 host 與驅動交互通道，完成 host/linux 名字空間轉換。

NDC 側面臨的核心技術挑戰主要有：（1）目前，NDC 巨量的接口缺失，生態不完備，Linux 面向驅動的上萬接口難以重新實現。且短期看，NDC只能運行在受限場景，無法完全舍棄 LDC；（2）用戶態的驅動框架性能和宏內核仍存在差距。文件系統和驅動的交互多一次進程間通信，驅動和內存的交互同樣需要進程間通信，且交互更為頻繁，例如 GPU 驅動需要頻繁地申請、釋放內存。

針對上述（1）的 NDC 接口缺失問題，NEXT 內核采取 LDC/NDC 多模共存的方案，實現生態上的抽屜式替換。從NDC和LDC的二選一階段，逐步演進到LDC/NDC的多模同時部署：所有的驅動和設備由 devmgr 同一管理，devmgr 可以路由到“正確”的驅動容器；NDC 可以抽屜式替換 LDC 中的驅動，能夠做到實現一個，替換一個，按重要程度逐步替換。此外，采取“孿生驅動”（Twin Driver）模式，針對代碼量巨大的驅動，為減小工作量，使用雙驅動容器協同方式：將核心的數據路徑，和上層應用交互的路徑由 NDC 承載，設備節點由 NDC 創建；上下電、初始化等功能仍通過 LDC 承載。

針對上述（2）的性能問題，可以采用 NDC 多態部署方案，實現安全和性能的權衡。NDC 中的關鍵驅動，例如 UFS 存儲設備和 VFS 部署在同一個地址空間，其他驅動則部署在獨立的地址空間。同時，中斷通過遷移線程模型直通用戶態驅動框架，解決傳統的中斷在用戶態處理，需要經過調度的問題，可以將時延壓縮到 2us 以內。

未來，隨著HarmonyOS NEXT生態和技術的發展，驅動框架作為北向和南向的生態中樞，有很多的機會。例如，提供更多的信息到應用層，實現精準的性能功耗控制；打破傳統的分層解耦，簡化關鍵協議、關鍵路徑等等。