Android 系统架构总览

学习日期: 2026-04-28 参考项目: Amlogic S905X5M (ross) Android 14 TV 前置知识: Linux embedded C/C++ 基础

1. Android 分层架构

Android 系统从上到下分为 5 层，每一层都依赖下一层提供的服务：

 ┌─────────────────────────────────────────────────┐
 │                  Applications                   │  ← 系统应用 + 第三方应用
 │   Launcher, Settings, Browser, OTA Client...    │
 ├─────────────────────────────────────────────────┤
 │              Application Framework              │  ← 应用框架（Java）
 │   ActivityManager, WindowManager, PackageManager│
 ├─────────────────────────────────────────────────┤
 │              Android System Services            │  ← 系统服务（Native + Java）
 │   System Server, SurfaceFlinger, MediaServer... │
 ├─────────────────────────────────────────────────┤
 │         Hardware Abstraction Layer (HAL)        │  ← 硬件抽象层（C/C++）
 │   Camera HAL, Audio HAL, Graphics HAL...        │
 ├─────────────────────────────────────────────────┤
 │              Linux Kernel                       │  ← Linux 内核 + 驱动
 │   Display Driver, WiFi, BT, Audio, DMA-BUF...   │
 └─────────────────────────────────────────────────┘

与传统 Linux embedded 的对比

2. 各层详解（结合参考代码库）

2.1 Layer 1: Linux Kernel

位置: kernel 源码 + 设备树 DTS

职责: 硬件驱动、内存管理、进程调度、网络栈

Android 特有的内核特性:

• Binder 驱动: 进程间通信（IPC）的核心
• ashmem: 匿名共享内存
• ION/DMA-BUF: 内存分配器（图形/多媒体用）
• wakelocks: 电源管理休眠锁

参考代码库中的体现:

# BoardConfig.mk 中定义了内核版本和构建方式
# device/amlogic/ross/BoardConfig.mk:
TARGET_BOARD_PLATFORM := s6
# 内核通过 ./mk ross -v common14-5.15 构建（ross 的 uboot target: s7d_bm201）
# 内核 cmdline 中配置 console、SELinux、分区信息:
BOARD_KERNEL_CMDLINE += console=ttyS0,921600
BOARD_KERNEL_CMDLINE += androidboot.selinux=permissive  # 条件开启
BOARD_BOOTCONFIG += "androidboot.boot_devices=soc/fe08c000.mmc"

2.2 Layer 2: Hardware Abstraction Layer (HAL)

位置: hardware/、vendor/、device/ 下的 HAL 实现

职责: 封装内核驱动接口，向上层提供标准化的硬件访问 API

关键概念 — Treble 架构: Android 8.0 引入 Project Treble，将 HAL 从 Framework 中解耦出来。厂商实现 HAL，Framework 通过 HIDL（HAL Interface Definition Language）调用 HAL 服务。

通信流程:

App/Service
    ↓ Binder IPC
Framework (Java)
    ↓ JNI
Native Service (C++)
    ↓ HIDL/hwBinder
HAL Implementation (C/C++)    ← 厂商实现
    ↓ system calls
Kernel Driver
    ↓
Hardware

参考代码库中的体现:

# device/giec/device-giec.mk 中的 HIDL 声明:
DEVICE_MANIFEST_FILE += vendor/giec/common/manifest.xml
DEVICE_MATRIX_FILE += vendor/giec/common/compatibility_matrix.xml

# vendor/giec 的自定义 HAL 服务:
PRODUCT_PACKAGES += \
  giec.hardware.hwstbcmdservice@1.0 \      # HIDL 接口定义
  giec.hardware.hwstbcmdservice@1.0-impl \  # HAL 实现
  giec.hardware.hwstbcmdservice@1.0-service # HAL 服务进程

manifest.xml 声明"我这个设备提供了哪些 HAL 服务"，compatibility_matrix.xml 声明"我需要 Framework 给我提供什么"。

ross 设备的外设配置:

# device/amlogic/ross/BoardConfig.mk
USE_OPENGL_RENDERER := true
USE_HWC2 := true                     # 使用 HWC2 (Hardware Composer 2)
BOARD_HAVE_FRONT_CAM := false        # 无前置摄像头
BOARD_HAVE_BACK_CAM := false         # 无后置摄像头
BOARD_USE_USB_CAMERA := true         # 使用 USB 摄像头
BOARD_USES_ALSA_AUDIO := true        # ALSA 音频架构

2.3 Layer 3: System Services (Native 层)

位置: frameworks/native/、system/core/

关键进程:

init 启动流程:

Boot ROM → Bootloader → Kernel → init → init.rc → Zygote → System Server
                                                           ↓
                                                   所有 Java 系统服务

参考代码库:

# device/amlogic/ross/device.mk
# init 启动脚本:
PRODUCT_COPY_FILES += \
    device/amlogic/ross/init.amlogic.board.rc:$(TARGET_COPY_OUT_VENDOR)/etc/init/hw/init.amlogic.board.rc

2.4 Layer 4: Application Framework (Java 层)

位置: frameworks/base/

核心服务（运行在 System Server 进程中）:

App 通过 Binder IPC 调用这些服务，不需要知道底层实现。

2.5 Layer 5: Applications

位置: packages/、vendor/giec/apps/

分为两类：

• 系统应用: 预置在 system 分区，有系统权限
• 用户应用: 用户安装，权限受限

参考代码库中的系统应用:

# vendor/giec/device-giec.mk
PRODUCT_PACKAGES += \
    LeanKeyboard \        # 定制输入法
    OTAClient \           # OTA 升级客户端
    BazeportLauncher \    # 定制桌面 Launcher
    BazeportSystem        # 系统工具应用

系统应用通过平台 key 签名可以获得 system 级别的权限，这是厂商定制的常用手段。

3. 分区架构

这是 embedded Android 特有的概念。固件烧录到设备后，存储被划分为多个分区：

Ross (S905X5M) 的分区布局

从 BoardConfig.mk 中提取的关键分区信息：

注: Android 10+ 使用动态分区（super 分区），system/vendor/product 不再是物理分区，而是 super 分区内的逻辑卷。这可以灵活调整各分区大小。

分区挂载流程

Boot ROM
  ↓ 读取启动设备
Bootloader (U-Boot)
  ↓ 验证 vbmeta → 验证 boot.img
  ↓ 加载 kernel + ramdisk 到内存
Kernel
  ↓ init 进程启动
  ↓ 解析 fstab 挂载分区
  ├── mount /system      (erofs, 只读)
  ├── mount /vendor      (erofs, 只读)
  ├── mount /product     (erofs, 只读)
  └── mount /data        (f2fs, 读写)

参考代码库中的 fstab:

device/amlogic/ross/fstab.ab_oem.amlogic

4. 启动流程完整时序

┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌─────────┐    ┌─────────┐
│ Boot ROM │───→│ U-Boot   │───→│ Kernel   │───→│ init    │───→| Zygote  │
│ (芯片固件) │    │ (启动加载器) │    │ (Linux)  │    │ (PID 1) │    │ (Java VM)│
└──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └─────────┘    └─────────┘
                                                     │              │
                                                     ↓              ↓
                                                 init.rc       System Server
                                                     │              │
                                                     ↓              ↓
                                                Vendor Init    AMS/PMS/WMS...
                                                (init.amlogic.   │
                                                 board.rc)       ↓
                                                              Launcher
                                                              (桌面启动)

关键说明:

1. Boot ROM: 芯片出厂固化的代码，上电后从 eMMC/NAND 加载 bootloader
2. U-Boot: 初始化硬件(ddr、时钟)、验证启动镜像签名(AVB2)、加载 kernel
3. Kernel: 启动内核、初始化驱动、挂载根文件系统
4. init: PID 1，执行 init.rc 脚本启动核心服务
5. Zygote: Android Java 虚拟机进程，所有 Java 应用的父进程
6. System Server: 启动所有 Java 系统服务
7. Launcher: 桌面应用启动，用户看到 UI

5. 代码库目录结构对照

6. 自问自答（检验理解）

Q: Android 和传统 Linux embedded 的主要区别是什么？ A: 主要是框架层。底层还是 Linux 内核，但上层套了 Java Framework、HAL 隔离层、Binder IPC、SELinux、独特的构建系统。对嵌入式开发者来说，从 kernel 一路往上看到 HAL 层是平滑过渡的。

Q: Project Treble 解决了什么问题？ A: 以前厂商改 HAL 必须连 Framework 一起更新，导致 Android 版本升级困难。Treble 用 HIDL 把 HAL 标准化、独立化，Framework 和厂商 HAL 可以分别更新。

Q: super 分区和传统分区有什么不同？ A: 以前 system、vendor 都是独立的物理分区，大小固定不能改。Android 10+ 用 super 动态分区，把这些分区变成 super 内的逻辑卷，空间利用率更高，OTA 更新也更灵活。

Q: boot.img 里有什么？ A: 包含 kernel（Linux 内核）+ ramdisk（init 程序和挂载脚本）。Android 13+ 还引入了 init_boot.img 把 generic ramdisk 独立出来，实现 GKI（通用内核镜像）。

7. 下一步

理解架构后，下一步建议进入 Phase 1.2: 构建系统入门，了解 Android 如何用 Android.bp/Android.mk 组织代码编译。

如果对某层特别感兴趣，也可以深入：

• Launcher/APK 层 → 看 vendor/giec/apps/BazeportLauncher/
• HAL 层 → 看 hardware/amlogic/hwcomposer/ 或 vendor/giec/hardware/interfaces/
• SELinux → 看 vendor/giec/common/sepolicy/
• init 启动 → 看 device/amlogic/ross/init.amlogic.board.rc