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OpenHarmony内核开发实战手册：编译构建、HCK框架与性能优化

news 2025/11/16 5:16:11

1. 标准系统内核概述

1.1 基本概念

OpenHarmony标准系统采用Linux内核作为其核心基础。Linux内核是一个开源的类Unix操作系统内核，最初由Linus Torvalds于1991年开始开发，目前已成为全球最广泛使用的操作系统内核之一。

1.2 内核版本类型

Linux内核主要有以下版本类型：

稳定版（Stable）：经过充分测试的稳定版本，推荐生产环境使用
LTS版（Long Term Support）：长期支持版本，提供长期的更新和维护

1.3 OpenHarmony内核版本支持

OpenHarmony标准系统支持多个Linux内核版本，包括：

4.19版本：广泛应用的LTS版本，稳定性好
5.10版本：较新的LTS版本，性能和功能增强
6.6版本：最新的长期支持版本，提供最新特性

OpenHarmony在标准系统场景下，通过适配不同版本的Linux内核，为不同硬件平台和应用场景提供统一的操作系统基础。

2. 编译构建指导

2.1 编译环境准备

在开始编译OpenHarmony标准系统内核之前，需要确保开发环境已正确配置，包括必要的编译工具链和依赖库。

2.2 rk3568开发板编译示例

以rk3568开发板为例，介绍OpenHarmony标准系统内核的编译流程：

2.2.1 指定内核版本编译

# 编译rk3568开发板的内核
./build.sh --product-name rk3568 --kernel-version 5.10

2.2.2 编译命令说明

--product-name rk3568：指定目标产品为rk3568开发板
--kernel-version 5.10：指定使用的Linux内核版本为5.10

2.2.3 编译输出

编译完成后，内核镜像和相关的设备树文件将在输出目录中生成，可用于在rk3568开发板上部署和运行OpenHarmony系统。

3. HCK内核解耦框架

3.1 基本概念

HCK（Hook Common Kernel）是一个内核解耦框架，OpenHarmony标准系统内核通过HCK框架实现对不同厂商内核功能的插桩式适配，避免对原生内核代码的直接侵入式修改。

3.2 背景介绍

在传统内核开发中，针对不同厂商的内核功能适配通常需要直接修改内核源码，这会带来以下问题：

维护复杂：每次内核升级都需要重新适配，工作量大
代码污染：厂商代码与原生内核代码混杂，难以维护
扩展困难：新增功能需要重新适配所有厂商版本

HCK框架通过插桩方式解决了这些问题，实现了内核功能的解耦和标准化。

3.3 使用范围

HCK框架主要应用于以下场景：

厂商驱动适配：为不同厂商的硬件驱动提供统一的适配接口
内核功能扩展：在不修改原生内核代码的情况下扩展内核功能
性能优化：为特定平台提供性能调优的插桩点
调试和监控：提供内核行为监控和调试的接口

3.4 接口说明

3.4.1 核心宏定义

// 定义HCK轻量级钩子
#define DECLARE_HCK_LITE_HOOK(name) \static typeof(name) *hck_lite_##name// 注册HCK轻量级钩子
#define REGISTER_HCK_LITE_HOOK(name, func) \do { \hck_lite_##name = func; \} while (0)// 调用HCK轻量级钩子
#define CALL_HCK_LITE_HOOK(name, ...) \(hck_lite_##name ? hck_lite_##name(__VA_ARGS__) : 0)

3.4.2 接口使用说明

DECLARE_HCK_LITE_HOOK(name)：声明HCK钩子变量
REGISTER_HCK_LITE_HOOK(name, func)：注册钩子函数
CALL_HCK_LITE_HOOK(name, …)：调用钩子函数

3.5 使用指导

3.5.1 配置阶段

在目标平台的内核配置文件中启用HCK框架：

HCK_VENDOR_HOOKS=y

3.5.2 定义阶段

在供应商提供的内核扩展模块中定义钩子函数：

// 供应商钩子函数实现
void vendor_specific_function(void)
{// 供应商特定的功能实现printk("Vendor specific hook called\n");
}

3.5.3 注册阶段

在模块初始化时注册钩子函数：

static int __init vendor_module_init(void)
{// 注册钩子函数REGISTER_HCK_LITE_HOOK(vendor_hook_name, vendor_specific_function);return 0;
}

3.5.4 调用阶段

在原生内核代码中的插桩点调用钩子：

// 原生内核代码中的插桩点
void kernel_common_function(void)
{// 原生内核逻辑// 调用钩子函数（如果已注册）CALL_HCK_LITE_HOOK(vendor_hook_name);
}

3.6 使用规范

3.6.1 命名规范

钩子名称：使用描述性名称，明确表达钩子的功能
模块名称：遵循内核模块命名规范，以"hck_"开头
函数名称：使用小写字母和下划线，遵循内核编码规范

3.6.2 目录规范

HCK框架代码：位于内核源码的kernel/hck/目录下
供应商扩展：位于drivers/hck/目录下
配置文件：位于内核配置目录的相关文件中

4. 内存增强特性

4.1 Enhanced SWAP特性

4.1.1 基本概念

ESwap（Enhanced Swap）是OpenHarmony标准系统内核提供的高级内存交换特性，它提供了自定义新增存储分区作为内存交换分区的能力。

4.1.2 工作原理

ESwap通过以下机制实现内存优化：

ZRAM压缩：首先将匿名页压缩到ZRAM设备
ESwap换出：将ZRAM压缩后的匿名页加密换出到ESwap存储分区
zswapd守护进程：常驻进程zswapd负责后台回收和管理
内存回收：完全释放可用内存，维持Memavailable水线

4.1.3 配置指导

启用ESwap配置：

CONFIG_HYPERHOLD=y                  // 启用HyperHold
CONFIG_HYPERHOLD_DEBUG=y            // 启用调试
CONFIG_HYPERHOLD_ZSWAPD=y           // 启用zswapd线程
CONFIG_HYPERHOLD_FILE_LRU=y         // 启用文件LRU
CONFIG_HYPERHOLD_MEMCG=y            // 启用内存控制组
CONFIG_ZRAM_GROUP=y                 // 启用ZRAM对象管理
CONFIG_ZRAM_GROUP_DEBUG=y           // 启用ZRAM组调试
CONFIG_ZLIST_DEBUG=y                // 启用ZRAM列表调试
CONFIG_ZRAM_GROUP_WRITEBACK=y       // 启用写回功能

依赖配置：

CONFIG_MEMCG=y       // 启用内存控制器
CONFIG_SWAP=y        // 启用匿名内存交换
CONFIG_ZSMALLOC=y    // 启用压缩页内存分配器
CONFIG_ZRAM=y        // 启用压缩RAM块设备

4.1.4 设备创建与配置

创建ESwap设备：

# 创建交换文件（512MB）
dd if=/dev/random of=/data/hpdisk bs=4096 count=131072# 绑定为loop设备
losetup /dev/block/loop6 hpdisk# 配置ESwap设备
echo /dev/block/loop6 > /proc/sys/kernel/hyperhold/device# 配置软件加密（可选）
echo 0 > /proc/sys/kernel/hyperhold/soft_crypt# 使能ESwap
echo enable > /proc/sys/kernel/hyperhold/enable

4.1.5 ZRAM配置

初始化ZRAM：

# 配置ZRAM交互方式
echo readwrite > /sys/block/zram0/group# 设置ZRAM大小
echo 512M > /sys/block/zram0/disksize# 启用ZRAM交换分区
mkswap /dev/block/zram0
swapon /dev/block/zram0

4.1.6 相关接口

控制接口：

接口名称	功能描述	示例
avail_buffers	设置buffer区间	`echo 300 250 350 200 > /dev/memcg/memory.avail_buffers`
zswapd_single_memcg_param	设置memcg配置	`echo 300 40 0 0 > /dev/memcg/memory.zswapd_single_memcg_param`
zram_wm_ratio	设置ZRAM换出水线	`echo 30 > /dev/memcg/memory.zram_wm_ratio`

状态接口：

接口名称	功能描述
zswapd_pressure_show	显示当前压力状态
stat	检测ESwap实时情况
zswapd_vmstat_show	记录zswapd运行事件

5. NewIP内核协议栈

5.1 基本概念

New IP是OpenHarmony标准系统内核提供的创新网络协议栈，它在现有IP能力的基础上，以灵活轻量级报头和可变长多语义地址为基础，通过二三层协议融合，对协议去冗和压缩，减少冗余字节，实现高能效比、高净吞吐，提升通信效率。

5.2 技术优势

5.2.1 报头优化

传统IPv4/IPv6协议存在以下开销问题：

IPv4地址：固定4字节长度
IPv6地址：固定16字节长度
IPv4报头：20-60字节长度
IPv6报头：40字节长度

New IP技术优势：

可变长多语义地址：最短1字节
可变长定制化报头：最短5字节
报头开销降低：相比IPv4节省25.9%，相比IPv6节省44.9%
传输效率提升：相比IPv4提高最少1%，相比IPv6提高最少2.33%

5.2.2 效率对比

场景	报头开销	载荷传输效率（WiFi MTU=1500B）
IPv4 for WiFi	30+8+20=58 B	96.13%
IPv6 for WiFi	30+8+40=78 B	94.8%
New IP for WiFi	30+8+5=43 B	97.13%

5.3 可变长报头格式

5.3.1 报文结构

New IP WiFi灵活极简报文头结构如下：

+------------------+------------------+------------------+
|  Dispatch (1bit) |  Bitmap (变长)   |  Value (变长)    |
+------------------+------------------+------------------+

5.3.2 字段说明

Dispatch字段：

长度：1比特
0b0：表示极简封装子类
标识报头的封装类型

Bitmap字段：

长度：变长，默认为7比特
可持续扩展，最后一位置0表示结束
每比特表示报头中是否携带特定字段

Value字段：

长度：1字节的整数倍
类型及长度由报头字段语义表确定

5.3.3 Bitmap字段定义

第一字节定义：

比特位	字段	长度	描述
0	Dispatch	1bit	0=极简封装，1=非极简封装
1	TTL	1 Byte	剩余跳数
2	Total Length	2 Byte	UDP置0，TCP置1，报文总长度
3	Next Header	1 Byte	协议类型
4	Reserve	-	保留字段，置0
5	Dest Address	变长(1-8 Byte)	目的地址
6	Source Address	变长(1-8 Byte)	源地址
7	Bitmap扩展标志	-	0=结束，1=扩展

5.4 可变长地址格式

New IP支持1-48位可变长地址，编码格式如下：

地址前缀	地址长度	有效范围
0x00-0xDC	1字节	0-220
0xDD-0xF0	2字节	221-5119
0xF1	3字节	5120-65535
0xF2	5字节	65536-4,294,967,295
0xF3	7字节	4,294,967,296-281,474,976,710,655
0xFE	8字节	0-72,057,594,037,927,935

5.5 配置指导

5.5.1 使能New IP

在rk3568开发板Linux 5.10内核上配置New IP：

CONFIG_NEWIP=y          // 使能New IP内核协议栈
CONFIG_NEWIP_HOOKS=y    // 使能插桩函数注册
HCK_VENDOR_HOOKS=y      // 使能内核插桩基础框架

5.5.2 编译验证

# 编译完成后验证New IP代码
find out/ -name *nip*.o# 输出示例：
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_addrconf_core.o
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_hdr_decap.o
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_addr.o

5.5.3 插桩机制

OpenHarmony内核要求所有原生内核代码侵入式修改都采用插桩方式：

// 注册New IP功能函数到内核
void nip_ninet_ehashfn_lhck_register(void)
{REGISTER_HCK_LITE_HOOK(nip_ninet_ehashfn_lhck, nip_ninet_ehashfn);
}// 在公共流程中通过函数指针调用
static u32 sk_ehashfn(const struct sock *sk)
{if (sk->sk_family == AF_NINET) {u32 ret = 0;CALL_HCK_LITE_HOOK(nip_ninet_ehashfn_lhck, sk, &ret);return ret;}// IPv4/IPv6处理...
}

5.6 Socket API接口

5.6.1 核心接口列表

函数	输入参数	返回值	描述
socket	domain, type, protocol	sockfd	创建New IP socket
bind	sockfd, sockaddr_nin, addrlen	错误码	绑定地址和端口
listen	sockfd, backlog	错误码	监听连接
connect	sockfd, sockaddr_nin, addrlen	错误码	创建连接
accept	sockfd, sockaddr_nin, addrlen	新sockfd	接受连接
send	sockfd, msg, len, flags, dst_addr, addrlen	错误码	发送数据
recv	sockfd, buf, len, flags, src_addr, addrlen	错误码	接收数据
close	sockfd	错误码	关闭socket

5.6.2 地址结构

// New IP短地址索引枚举
enum nip_8bit_addr_index {NIP_8BIT_ADDR_INDEX_0 = 0,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_1 = 1,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_2 = 2,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_3 = 3,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_4 = 4,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_5 = 5,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_6 = 6,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_7 = 7,NIP_8BIT_ADDR_INDEX_MAX,
};

6. 任务调度优化

6.1 关联线程组调度

6.1.1 基本概念

关联线程组（Related Thread Group，RTG）调度特性提供了对一组关键线程调度优化的能力，支持对关键线程组单独进行负载统计和预测，并且设置优选CPU cluster功能，从而为组内线程选择最优CPU运行，并根据分组负载选择合适的CPU调频点运行。

6.1.2 核心特性

负载管理：

对关键线程组进行独立的负载统计
提供负载预测功能
避免关键线程受到其他任务影响

CPU选择优化：

为组内线程选择最优CPU
根据分组负载选择合适的CPU调频点
支持CPU cluster级别的优选设置

6.1.3 配置指导

启用关联线程组：

CONFIG_SCHED_RTG=y           // 使能关联线程组调度
CONFIG_SCHED_RTG_DEBUG=y     // 使能调试功能
CONFIG_SCHED_RTG_FRAME=y     // 使能框架支持
CONFIG_SCHED_RTG_RT_THREAD_LIMIT=y  // 限制实时线程

依赖配置：

CONFIG_SCHED_WALT=y  // 依赖WALT调度器

6.1.4 使用方法

添加进程到关联线程组：

# 将进程添加到group id为2的关联线程组
echo 2 > /proc/<pid>/sched_group_id# 将进程移出关联线程组（group id=0表示非关联线程组）
echo 0 > /proc/<pid>/sched_group_id

6.1.5 信息查看

查看关联线程组信息：

cat /proc/sched_rtg_debug

输出示例：

RTG_ID          : 2                          // 分组ID
RTG_INTERVAL    : UPDATE:8ms#INVALID:4294ms // CPU调频间隔和负载有效时长
RTG_CLUSTER     : -1                         // 优选CPU cluster ID
RTG_THREADS   : 0/1                          // 分组包含的线程总数
STATE           COMM       PID  PRIO    CPU  // 线程信息
---------------------------------------------------------S            bash   436   120     1(0-3)

字段说明：

RTG_ID：分组ID（group id=1为预留分组，不支持添加进程）
RTG_INTERVAL：CPU调频间隔和负载有效时长
RTG_CLUSTER：分组优选CPU cluster ID（-1表示未设置）
RTG_THREADS：分组包含的线程总数

7. 开发板Patch使用

7.1 基本概念

OpenHarmony开发板Patch使用指导描述了如何在不同内核版本上合入HDF（Harmony Driver Foundation）补丁和芯片平台驱动补丁，以确保OpenHarmony系统能够在特定硬件平台上正常运行。

7.2 HDF补丁合入

7.2.1 合入方法

按照kernel.mk中的HDF补丁合入方法，合入不同内核版本对应的HDF内核补丁：

$(OHOS_BUILD_HOME)/drivers/hdf_core/adapter/khdf/linux/patch_hdf.sh \$(OHOS_BUILD_HOME) $(KERNEL_SRC_TMP_PATH) $(KERNEL_PATCH_PATH) $(DEVICE_NAME)

7.2.2 补丁路径规则

不同芯片平台的驱动补丁按照kernel.mk中的路径规则放置：

DEVICE_PATCH_DIR := $(OHOS_BUILD_HOME)/kernel/linux/patches/${KERNEL_VERSION}/$(DEVICE_NAME)_patch
DEVICE_PATCH_FILE := $(DEVICE_PATCH_DIR)/$(DEVICE_NAME).patch

7.3 芯片平台驱动补丁

7.3.1 补丁命名规则

补丁文件按照命名规则放置在对应路径下：

路径：kernel/linux/patches/${KERNEL_VERSION}/${DEVICE_NAME}_patch/
文件名：${DEVICE_NAME}.patch

7.3.2 编译配置

修改编译所需的内核配置文件：

KERNEL_CONFIG_PATH := $(OHOS_BUILD_HOME)/kernel/linux/config/${KERNEL_VERSION}
DEFCONFIG_FILE := $(DEVICE_NAME)_$(BUILD_TYPE)_defconfig

7.4 编译配置修改

7.4.1 配置放置路径

将芯片平台配置文件放置在指定路径下：

路径：kernel/linux/config/${KERNEL_VERSION}/
文件名：${DEVICE_NAME}_${BUILD_TYPE}_defconfig

7.4.2 注意事项

须知：
由于OpenHarmony工程的编译构建流程中会拷贝kernel/linux/linux-*.*的代码环境后进行打补丁动作，在使用OpenHarmony的版本级编译命令前，需要kernel/linux/linux-*.*原代码环境。

7.4.3 配置生效流程

基于最后生成的内核进行对应平台的config修改
将生成的.config文件复制到config仓对应平台的路径文件里
确保配置生效并用于后续编译

8. CPU资源管理

8.1 CPU轻量级隔离

8.1.1 基本概念

CPU轻量级隔离特性提供了根据系统负载和用户配置来选择合适的CPU进行动态隔离的能力。内核会将被隔离CPU上的任务和中断迁移到其他合适的CPU上执行，被隔离的CPU会进入idle状态，以此来达到功耗优化的目标。

8.1.2 核心特性

动态CPU隔离：

根据系统负载自动选择合适的CPU进行隔离
支持用户配置的CPU隔离策略
实时调整CPU在线状态

任务和中断迁移：

自动将被隔离CPU上的任务迁移到其他CPU
将中断重新分配到活跃CPU
保证系统正常运行

功耗优化：

被隔离CPU进入idle状态
减少CPU功耗
提升整体能效比

8.1.3 配置指导

启用CPU轻量级隔离：

CONFIG_CPU_ISOLATION_OPT=y    // 使能CPU隔离优化
CONFIG_SCHED_CORE_CTRL=y      // 使能CPU核心控制

依赖配置：

CONFIG_SMP=y              // 对称多处理器支持
CONFIG_SCHED_WALT=y       // WALT调度器支持

8.2 相关接口

8.2.1 接口位置

CPU轻量级隔离接口位于每个CPU cluster的首个CPU设备信息目录中：

目录：/sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl

8.2.2 控制接口

接口名称	描述
enable	功能开关：1=开启，0=关闭
min_cpus	设置活跃（未隔离）CPU最小值个数
max_cpus	设置活跃（未隔离）CPU最大值个数

8.2.3 状态接口

接口名称	描述
active_cpus	显示当前活跃（未隔离）的CPU个数
need_cpus	显示当前需要解隔离的CPU个数
global_state	记录系统所有CPU cluster的状态信息

8.3 使用方法

8.3.1 功能开关

# 开启CPU轻量级隔离
echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/enable# 关闭CPU轻量级隔离
echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/enable

8.3.2 CPU数量设置

# 设置最小活跃CPU数为2
echo 2 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/min_cpus# 设置最大活跃CPU数为4
echo 4 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/max_cpus

8.3.3 状态查询

# 查看当前活跃CPU数
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/active_cpus# 查看需要解隔离的CPU数
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/need_cpus# 查看全局状态
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/core_ctl/global_state

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